Комбинированная поверхностная ионно-плазменная обработка инструмента из быстрорежущей стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Доклад

Комбинированная поверхностная ионно-плазменная обработка инструмента из быстрорежущей стали

1. Материалы и методика исследований

Для проведения всех этапов комбинированной ионно-плазменной обработки в одном технологическом цикле без перегрузки быстрорежущих инструментов была создана многофункциональная установка, позволяющая генерировать два различных вида плазмы двухступенчатого вакуумно-дугового разряда (ДВДР) - газовую для проведения процесса ионного азотирования и метало-газовую для формирования ионно-плазменного покрытия. Установка имеет мишень, которая испаряется катодными пятнами вакуумной дуги и используется в качестве катода дугового разряда, анод, а также специальный экран между ними, который делит камеру на две зоны, заполненные металлогазовой плазмой (слева от экрана) и газовой плазмой (справа). Этот экран непроницаем для микрокапель, нейтральных атомов и ионов металла, эмитируемых катодными пятнами на поверхности мишени. Только электроны способны проникать через экран и ионизировать подаваемый в камеру газ, и таким способом образовывать не содержащую металлических частиц газовую плазму. Погруженный в эту плазму инструмент при подаче на него потенциала и подаче в рабочее пространство камеры азото содержащего рабочего газа азотируется. Азотирование в газовой части двухступенчатого вакуумно-дугового разряда можно производить при давлении азота на два порядка ниже, чем в тлеющем разряде, и при потенциалах на образцах, не превышающих порога распыления их поверхности. Это приводит к значительному уменьшению азотного потенциала в процессе азотирования и, следовательно, уменьшению количества хрупких нитридных фаз в слое, а также сохранению чистоты обрабатываемой поверхности. После этого экран смещается в сторону, частицы металлической мишени начинают поступать на поверхность инструмента и происходит формирование покрытия.

В качестве образцов для исследований использовались четырехгранные пластины из быстрорежущей стали Р6М5 специальной конструкции. Эти пластины использовались как для металлографических и рентгеноструктурных исследований, так и для моделирования различных процессов резания.

С целью оптимизации режимов формирования азотированного слоя при комбинированной обработке быстрорежущего инструмента, в широких пределах варьировали: температуру процесса - 42О...54О°С; концентрацию азота N2 в газовой смеси с аргоном - 10... 100% ат.; время азотирования -10...90 мин; время нанесения износостойкого покрытия - 40... 120 мин.

В качестве износостойкого покрытия при всех экспериментах использовался титано-алюминиевый нитрид С целью оптимизации его состава были изготовлены плавленые катоды с различным содержанием Ti и AL

Изготовление поперечных микрошлифов для металлографических исследований осуществляли по стандартной методике, на оборудовании фирмы Struhers (Дания), в состав которого входят универсальный отрезной станок, автоматический гидравлический пресс и прибор для полировки микрошлифов.

Измерение микротвердости образцов производили на микроскопе POLYVAR (Австрия), оснащенном приставкой для измерения микротвердости MICRO-DUROMAT 4000.

Фазовый состав и структура износостойкого комплекса исследовались с помощью рентгеноструктурного анализа на автоматизированном дифрактометре Дрон-4, оснащенном компьютерным управлением и записью спектров. Симметричная съемка образцов на отражение проводилась с использованием рентгеновских трубок с медным и кобальтовым излучением. Это позволило оценить (усредненно) фазовый состав на разном расстоянии от поверхности (до 7 и до 2 мкм соответственно). В некоторых случаях для определения фазового состава тонкого поверхностного слоя до 0,5 мкм, использовался метод скользящего пучка (СиКа - излучение) с постоянным углом входа Обработка спектров проводилась с помощью программного обеспечения, используемого в лаборатории рентгенографии МИСиС. Электронно-микроскопические исследования проводили на SEM "ECOLAB".

Прочность адгезионной связи покрытия с подложкой определялась методом вдавливания алмазного индентора на приборе Роквелла с нагрузкой 1,47 кН.

Эксплуатационные испытания образцов из быстрорежущей стали Р6М5 после комбинированной ионно-плазменной обработки, производили при резании широко используемых в промышленности конструкционных сталей нормальной обрабатываемости - 45 (НВ 197-205) и 40Х (НВ 214-220). Испытания проводили на различных по характеру нагрузок процессах резания -при непрерывных нагрузках (точение) и в условиях ударно-циклических нагрузок (фрезерование). Данные, полученные в ходе модельных экспериментов, затем были перенесены на реальный быстрорежущий инструмент.

2. Закономерности формирования азотированного слоя в газовой плазме вакуумно-дугового разряда

сталь азотированный быстрорежущий плазменный

Структура и фазовый состав. Проведенные исследования показали, что состав газовой среды оказывает сильное влияние на структуру поверхностного слоя, формирующегося при ионном азотировании быстрорежущей стали Р6М5. Для управления структурой азотированного слоя использовались азото-аргоновые смеси различного состава. В табл. 1 представлены данные рентгеноструктурного анализа азотированного слоя, формирующегося при использовании газовых смесей с различным содержанием N2 и Аг.

Видно, что в поверхностном слое образцов, азотированных в 100% N2 присутствует Ј-фаза типа (Ее.Ме^М, специальные нитриды легирующих элементов МогЫ (возможно и карбиды (карбонитриды) типа Рез(АУ, Мо)д присутствующие в стали Р6М5 как избыточные, и а-фаза, являющаяся твердым раствором углерода и азота в Реа (мартенсите). Съемка методом скользящего пучка показывает, что на глубине до ~ 1 мкм образуется практически сплошной нитридный слой из е-фазы.

Было установлено, что по мере разбавления азота инертным газом аргоном, образование е-фазы блокируется при сохранении в поверхностном слое M02N и БеЗ (^Мо)З(СК), количество которых уменьшается от ~ 7 % (на глубине до ~ 2 мкм) до 4% (на глубине до ~ 7 мкм).

Данные рентгеноструктурного анализа хорошо согласуются с результатами металлографических исследований. В микроструктуре поверхностного слоя образцов, азотированных в атмосфере 100% а также с высоким содержанием азота в смеси с аргоном (до 80% N2) хорошо выявляется сплошной нитридный слой толщиной от 0,5 до 1,5 мкм (рис. 2а). В случае азотирования в газовой смеси с содержанием азота менее 60-80% поверхностный нитридный слой отсутствует (рис. 26,2в).

Полученные результаты показывают, что в условиях вакуумно-дугового разряда, используя азото-аргоновые газовые среды различного состава, можно получать практически любую структуру азотированного слоя, необходимую для конкретных условий эксплуатации инструмента.

Микротвердость и толщина азотированного слоя. При изучении свойств азотированного слоя оценивали эффективную толщину - расстояние от поверхности образца до участка с твердостью, соответствующей значению Н = 9,8 кН/мм, и общую толщину - расстояние от поверхности образца до участка с твердостью, соответствующей исходной твердости быстрорежущей стали Р6М5 (Н = 8,8 кН/мм2). Было установлено, то увеличение процентного содержания азота в газовой смеси ведет к некоторому увеличению поверхностной твердости азотированного слоя, но эффективные и общие толщины формируемых слоев уменьшаются (рис. 3). По-видимому, это связанно с образованием на поверхности и по границам бывших аустенитных зерен значительного количества нитридных фаз, препятствующих диффузии азота вглубь от поверхности (рис.4).

Из анализа табл. 2 видно, что зависимость толщины азотированного слоя от продолжительности процесса подчиняется параболическому закону, что характерно для диффузионных процессов насыщения. При этом необходимо отметить, что за сравнительно короткое время (50-70 мин) в исследованном интервале температур формируется азотированный слой очень большой толщины (общая толщина до 400-500 мкм, а эффективная - до 90175 мкм).

В общем, полученные зависимости микротвердости и толщины азотированного слоя от температуры и продолжительности процесса аналогичны соответствующим зависимостям при азотировании в тлеющем разряде.

Главным же отличием является то, что при азотировании с использованием плазмы вакуумно-дугового разряда формируются очень большие по толщине слои, которые невозможно получить за соответствующее время ни одним другим существующим способом. Это свидетельствует о том, что при азотировании в плазме вакуумно-дугового разряда создаются более благоприятные условия для интенсивной диффузии азота в поверхностный слой. Это может быть связано с очень высокой концентрацией азота в приповерхностном слое, а также с активацией поверхностного слоя стали при ионной бомбардировке на стадии очистки и последующего азотирования.

3. Влияние характеристик износостойкого комплекса на режущую способность быстрорежущей стали

Влияние состава износостойкого покрытия (Tii_,AI,)N. На рис. 5 представлена зависимость микротвердости покрытия (Ti].xAlx)N от содержания в нем алюминия. Видно, что микротвёрдость покрытия находится в диапазоне от 9,8 до 41,2 кН/мм2 и растёт с увеличением содержания алюминия, достигая максимума при 70 мае % AIN, а после 75 мае. % A1N резко снижается, значительно ниже уровня TiN.

.

Видно, что максимальную работоспособность при фрезеровании имеет покрытие (По,7А1о,з)К. Это объясняется тем, что с увеличением микротвердости покрытия наблюдается большое искажение кристаллической решетки, резко повышается его хрупкость и, как следствие, снижается сопротивление покрытия микро- и макроразрушению в условиях действия ударно-циклических нагрузок. При х = 0,2...0,35 покрытие еще не теряет свою пластичность, но при этом уровень твердости уже достаточно высок (27,4-30,4 кН/мм). В случае эксплуатации инструмента в условиях непрерывного резания (точения) максимальную режущую способность имеет покрытие. Объясняется это тем, что при точении инструмент подвергается большим термическим нагрузкам со стороны задней поверхности, и наиболее важными здесь являются такие свойства покрытия, как микротвердость и термостойкость. Эти свойства наилучшим образом обеспечиваются при х = 0,55...0,65.

Влияние структуры азотированного слоя. Было установлено, что при комбинированной обработке структура слоя, формируемого при ионном азотировании, оказывает значительное влияние на режущие свойства инструментального материала и прочность адгезионной связи покрытия (П|. хЛ1х)К с быстрорежущей основой.

Эксплуатационные испытания при фрезеровании показали, что при комбинированной обработке формирование под покрытием сплошного нитридного слоя на основе Ј-фазы не обеспечивает высоких режущих свойств инструмента. Связано это с тем, что высокоазотистая Ј-фаза обладает повышенной твердостью, низкой пластичностью и имеет очень низкое сопротивление хрупкому разрушению. Поэтому при переменных теплосиловых нагрузках, возникающих при фрезеровании из-за чередования рабочего и холостого ходов, уже в первые минуты работы инструмента наблюдается его хрупкое разрушение в виде выкрашивания.

Кроме того, экспериментально установлено, что азотированный слой, на поверхности которого присутствует сплошной нитридный слой, не может обеспечить удовлетворительной прочности адгезионной связи покрытия с быстрорежущей основой, являющейся наиболее важным условием успешной эксплуатации инструмента с покрытием

На рис. 7 представлены фотографии, иллюстрирующие влияние структуры азотированного слоя на прочность адгезионной связи покрытия (Т1о,7А1о,з)К. При внедрении алмазного индентора в образец со структурой, формируемой при азотировании в среде 100% , когда в азотированном слое присутствует высокоазотистая е-фаза (рис. 7а), отслаивание покрытия не наблюдается, но на поверхности покрытия видно большое количество трещин, распространенных в радиальном направлении от места приложения нагрузки.

Для сравнения на рис. 76 представлена фотография зоны укола индентором неазотированного образца с покрытием (Т1о,7А1о,з)М. В этом случае наблюдается совершенно противоположная картина - под воздействием нагрузки покрытие проваливается и отслаивается из-за резкой разницы в значениях твердости и модуля упругости покрытия и подложки.

Исследования прочности адгезионной связи покрытия СЛо,7А1о,з)Н с образцами из стали Р6М5, азотированными в различных азото-аргоновых смесях показали следующее. При содержании азота менее 70% наблюдается резкое улучшение прочности адгезионной связи покрытия с быстрорежущей основой. На рис. 7в и 7г представлены фотографии отпечатков индентора на образцах из стали Р6М5 с покрытием азотированных в газовых смесях, содержащих Видно, что на образцах не наблюдается отслаивания покрытия, которое было обнаружено на образцах, азотированных при 100% N2, однако характер трещин на границе отпечатка индентора различен.

Эксплутационными испытаниями было установлено, что при фрезеровании максимальную режущую способность имеют образцы, которые были проазотированы в среде, содержащей 30%N2-70%Aг. Структурой азотированного слоя, формируемого в этих условиях, является устойчивый к переменным нагрузкам твердый раствор азота и углерода в а-железе, в котором присутствует незначительное количество дисперсных нитридов легирующих элементов. Он обеспечивает высокую прочность адгезионной связи покрытия с основой и повышенное сопротивление нагрузкам, возникающим в процессе фрезерования.

В случае эксплуатации быстрорежущего инструмента в условиях непрерывных нагрузок (при точении) максимальную режущую способность показали образцы с покрытием, которые были предварительно проазотированы в газовой смеси, содержащей 60%Кз-40%Аг. Металлографические исследования показали, что структурой азотированного слоя в этом случае является азотистый мартенсит, в котором присутствуют избыточные нитриды типа Ре30У, Мо)з (С,М) и специальные нитриды легирующих элементов (W, Мо, Сг, V). Указанная структура обеспечивает высокую прочность адгезионной связи покрытия с основой, более высокое сопротивление пластической деформации и теплостойкость.

Влияние процесса нанесения покрытия на структуру азотированного слоя. В зависимости от структуры и свойств азотированного слоя, а также от параметров процесса осаждения покрытия на границе между покрытием и азотированным слоем могут присутствовать сплошной хрупкий нитридный слой (в случае азотирования с большим содержанием азота в газовой смеси) или слой быстротравящегося мягкого ё-Бе (черный слой). Этот слой может образоваться при осаждении покрытия при температуре выше 500° С. Микротвердость этого слоя составляет 400-500 НУ25. Образование и рост "черного слоя" происходит по-видимому вследствие диссоциации нитридов железа при нанесении покрытия при высокой температуре. Это также обусловливает формирование пористого покрытия с пониженной микротвердостью.

Образование как сплошного нитридного слоя, так и "черного слоя" на границе между покрытием и азотированным слоем отрицательно сказывается на свойствах износостойкого комплекса.

В результате нанесения покрытия несколько увеличивается эффективная и общая толщина азотированного слоя. При этом максимальная твердость азотированного слоя практически не меняется, а изменение микротвердости по толщине азотированного слоя становится более плавным. Было установлено, что толщина покрытия практически не влияет на свойства азотированного слоя.

Оптимизация режимов комбинированной обработки. На характеристики формирующегося при комбинированной ионно-плазменной обработке износостойкого слоя оказывает влияние огромное число факторов, каждый из которых технически невозможно учесть при оптимизации. Поэтому была произведена оптимизация режимов комбинированной обработки, оказывающих наиболее сильное влияние на интенсивность изнашивания инструмента. Проведенные исследования показали, что такими режимами являются: температура азотирования -и время азотирования - тА, концентрация азота в газовой смеси с аргоном - при азотировании и время нанесения износостойкого покрытия.

На рис. 8 показано влияние указанных факторов на интенсивность изнашивания (I) быстрорежущего инструмента при точении и фрезеровании конструкционной стали 40Х. Показательно, что интенсивность изнашивания инструмента, как функция режимов комбинированной ионно-плазменной обработки во всех случаях имеет локальный экстремум.

Путем математической обработки экспериментальных данных были установлены оптимальные режимы формирования (табл. 3) и характеристики азотированного слоя и ионно-плазменного покрытия (Тп.лАуК, обеспечивающие максимальную износостойкость быстрорежущей стали Р6М5 при различном характере действующих нагрузок - ударно-циклических и непрерывных.

Металлографическими исследованиями было установлено, что износостойкий комплекс, формирующийся при режимах комбинированной ионно-плазменной обработки, обеспечивающих максимальную износостойкость инструмента, соответствует следующим характеристикам:

- при точении: эффективная толщина азотированного слоя Ь=45-50 МКМ с микротвердостью 11,9...12,1 кН/мм2, толщина покрытия (Т1о,+А1о,б^ Ь=6 мкм с микротвердостью 35,6...35,8 кН/мм2;

- при фрезеровании: эффективная толщина азотированного слоя Ь= 3035 мкм с микротвердостью 10,5... 10,7 кН/мм2 при толщине покрытия (Т^дАЬ.з) Ь=4 мкм с микротвердостью 26,4...26,6 кН/мм2.

4. Эксплуатационные испытания

Проведенными эксплуатационными испытаниями было установлено, что комбинированная ионно-плазменная обработка быстрорежущего инструмента существенно снижает интенсивность его изнашивания за счет изменения условий контактирования передней и задней поверхности с обрабатываемым материалом.

Поверхностный слой, сформированный в результате комбинированной ионно-плазменной обработки, обладает химической пассивностью и снижает адгезионное взаимодействие с обрабатываемым материалом. В результате изменяются характеристики контактных процессов на передней поверхности - снижается длина контакта стружки (до 70 %) и коэффициент трения (до 2,5 раз). Азотированный слой, формируемый под покрытием, обладает повышенной твердостью в сочетании с высокой теплостойкостью и имеет высокое сопротивление микропластическим деформациям, что способствует торможению процессов разупрочнения на задней поверхности инструмента.

На рис. 9 а,б представлены зависимости изменения износа инструмента с комбинированной ионно-плазменной обработкой, выполненной по режимам, оптимизированным ранее, от времени работы инструмента пз=/(Т). Эксплутационные испытания производили при точении и фрезеровании стали 45. Там же представлены результаты испытаний инструмента с покрытием (Т1|.хА1х)К, но без азотирования.

Стойкость инструмента определялась как время работы инструмента до достижения износа по задней поверхности 0,4 мм. Представленные зависимости показывают, что стойкость инструмента после комбинированной обработки до катастрофического износа увеличивается в 3 раза при точении, а при фрезеровании в 2,3 раза по сравнению с инструментом с покрытием (Т1|.хА1х)К, но без азотированного слоя.

Таким образом, комбинированная поверхностная ионно-плазменная обработка является эффективным способом повышения износостойкости быстрорежущей стали. Ее применение позволяет сочетать прочностные характеристики быстрорежущей стали Р6М5, повышенную твердость азотированного слоя и химическую инертность тугоплавкого соединения (Ti|.xAlx)N, используемого в качестве покрытия.

Заключение и общие выводы

1.Технология комбинированной поверхностной ионно-плазменной обработки, заключающаяся в формировании на поверхности быстрорежущего инструмента износостойкого комплекса, состоящего из азотированного слоя и покрытия с заданными структурой и свойствами.

2. Установлено, что при азотировании быстрорежущей стали в газовой плазме вакуумно-дугового разряда, наибольшее влияние на фазовый состав формирующегося слоя оказывает состав азотосодержащей атмосферы, а время и температура в исследуемом интервале влияют, главным образом, на толщину и микротвердость.

3. Исследования закономерностей формирования азотированного слоя в газовой плазме вакуумно-дугового разряда показали, что при использовании газовых смесей с высоким содержанием азота (свыше 80%) в поверхностном слое быстрорежущей стали Р6М5 присутствует сплошной слой нитридов на основе Е-фазы, толщина которого составляет от 0,5 до 1,5 мкм. Установлено, что формирование под покрытием высокоазотистой е-фазы ведет к выкрашиванию режущих кромок инструмента при ударно-циклических нагрузках и не обеспечивает удовлетворительной прочности адгезионной связи покрытия с быстрорежущей основой.

4. Методами ренттеноструктурного и металлографического анализа установлено, что при азотировании быстрорежущей стали путем регулирования состава азото-аргоновых сред возможно реально управлять фазовым составом формируемого слоя.

5. При эксплуатации инструмента с комбинированной обработкой в условиях ударно-циклических нагрузок, оптимальной структурой азотированного слоя является устойчивый к циклическим нагрузкам твердый раствор азота и углерода в а-железе при минимальном количестве нитридных фаз. Такая структура обеспечивает высокую прочность адгезионной связи покрытия с быстрорежущей основой и может быть получена при азотировании в смеси, содержащей ~ 30% N2 и 70% Аг.

6. При эксплуатации инструмента в условиях непрерывных нагрузок, оптимальной структурой является азотистый мартенсит с выделением избыточных нитридов Fe3(W,Mo)3(N,C) и образованием специальных нитридов легирующих элементов. Указанная структура обеспечивает высокую прочность адгезионной связи покрытия с быстрорежущей основой, сопротивление пластической деформации и может быть получена при азотировании в газовой смеси, содержащей « 60% N2 и 40% Аг.

7. Экспериментально показано, что увеличение процентного содержания азота в газовой смеси с аргоном ведет к некоторому увеличению поверхностной твердости азотированного слоя, но эффективные и общие толщины формируемых слоев уменьшаются.

8. Исследованиями кинетики формирования азотированного слоя установлено, что зависимость толщины слоя от продолжительности азотирования подчиняется параболическому закону и за 30-70 минут можно получать азотированные слои с общей толщиной до 400-500 мкм и эффективной толщиной до 70 мкм.

9. Исследования влияния содержания A1N и TiN в двухэлементном покрытии (Ti|.xAlx)N на режущую способность быстрорежущей стали показали, что в условиях ударно-циклических нагрузок максимальной износостойкостью обладает покрытие а при непрерывно действующих нагрузках- (Tio,4Alo,6)N.

10. На основе обработки результатов эксплуатационных и металлографических исследований установлено, что износостойкий комплекс, обеспечивающий максимальную износостойкость быстрорежущего инструмента при обработке сталей типа 45,40Х, соответствует следующим характеристикам:

- при непрерывных нагрузках: эффективная толщина азотированного слоя h=45-50 мкм с микротвердостью 11,9... 12,1 кН/мм2, толщина покрытия (Tio,4Alo,6)N h=6 мкм с микротвердостью 35,6...35,8 кН/мм2;

- при ударно-циклических: эффективная толщина азотированного слоя h= 30-35 мкм с микротвердостью 10,5...10,7 кН/мм2 при толщине покрытия (TiojAloj) h=4 мкм с микротвердостью 26,4...26,6 кН/мм2.

11. Эксплуатационными испытаниями установлено, что проведение комбинированной поверхностной ионно-плазменной обработки быстрорежущей стали по оптимальным режимам, позволяет увеличить износостойкость быстрорежущего инструмента до 2,3 раз при его эксплуатации в условиях ударно-циклических нагрузок и до 3 раз в условиях непрерывно действующих нагрузок по сравнению с использованием быстрорежущего инструмента только с ионно-плазменным покрытием.

Размещено на Allbest.ru