CC BY
17
УДК 621.9.025
А. В. РАНДИН
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ, ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И ПРИМЕНЕНИЕ ПОКРЫТИЙ С ПЕРЕХОДНЫМИ АДГЕЗИОННЫМИ СЛОЯМИ
Представлены результаты теоретико-экспериментальных исследований остаточных напряжений, возникающих в износостойких покрытиях с переходными адгезионными слоями при их конденсации. Предложены конструкции таких покрытий на основе 7Ж и (77, 2г)Ы. Показано влияние конструкции покрытия с переходными адгезионными слоями на его структурные параметры, механические свойства, интенсивность износа реэ/сущего инструмента. Представлены результаты стойко-стных испытаний режущих инструментов с разработанными покрытиями.
Ключевые слова: переходный адгезионный слой, износ режущего инструмента.
Нанесение износостойких ионно-плаз-менных покрытий является одним из эффективных методов повышения работоспособности режущего инструмента (РИ). Однако в ряде случаев недостаточная прочность сцепления покрытия с инструментальной основой (ИО) является причиной снижения работоспособности РИ. Недостаточная прочность связи покрытия с ИО обусловлена возникновением в покрытии высоких остаточных напряжений из-за различия тепло-физических и физико-механических свойств покрытия и материала РИ.
Снижения величины остаточных напряжений в покрытии и их перепада на границе раздела «покрытие - ИО» можно добиться за счёт создания между покрытием и ИО переходного адгезионного слоя (ПАС), содержащего элементы материала верхнего слоя покрытия [1]. Значительный интерес представляют ПАС, в состав которых входят элементы не только материала покрытия, но и материала ИО. В этом случае химическое сродство ПАС с материалом как покрытия, так и ИО, может ещё в большей степени уменьшить остаточные напряжения, повысить прочность сцепления покрытия и ИО и, в конечном итоге, - работоспособность РИ.
Для расчёта остаточных напряжений в покрытии с ПАС предложена методика, основанная на применении уравнений теории упругости [2]. Исходными данными для расчёта являются: модуль упругости и коэффициент термического расширения для каждого слоя покрытия и ИО, разница между комнатной температурой и температурой конденсации покрытия, площадь поперечного сечения каждого слоя покрытия и ИО.
В результате решения уравнения равновесия и дополнительных уравнений, составленных из условия равенства линейных деформаций эле-
© А. В. Рандин, 2007 Вестник УлГТУ 4/2007
ментов износостойкой композиции (внешнего покрытия, ПАС и ИО), получены зависимости, позволяющие определять остаточные напряжения в этих элементах, возникающие в результате их термических и упругих деформаций при охлаждении в камере установки от температуры конденсации покрытия до комнатной.
Для определения химического состава ПАС, обеспечивающего максимальное снижение остаточных напряжений, рассчитывали их величину в покрытиях с ПАС на основе чистых металлов СП, Ъх, Сг, Мо, Ие), их смесей (сочетаний) СП -Ме) и сложных нитридов (П, Ме)1Ч, которые наносили на быстрорежущие пластины Р6М5К5. Использование железа в качестве элемента ПАС объясняется необходимостью обеспечения химического сродства ИО и ПАС.
Результаты расчёта остаточных напряжений в покрытиях с ПАС на основе чистых металлов показали, что их величина определяется химическим составом ПАС. Применение ПАС на основе чистого титана способствует сниже-нию остаточных напряжений в покрытии по сравнению с покрытием ИМ. Введение в состав этого ПАС дополнительно хрома, циркония или молибдена, а также повышение их массовой доли в соответствующих ПАС (СП - Сг), СП - Тт) и СП - Мо)) ведёт к росту остаточных напряжений как в ПАС, так и в покрытии в целом. Использование ПАС на основе чистых титана и железа снижает остаточные напряжения в покрытии.
Аналогичная картина имеет место при использовании в качестве ПАС сложных нитридов СП, Ме)К Большие остаточные напряжения формировались в покрытиях с ПАС на основе нитридов тугоплавких металлов, причём с увеличением доли нитридов СгЫ, и MoN они увеличивались. При использовании в качестве ПАС нитрида титана и железа (Тл, Ре)Ы
остаточные напряжения снижались. При этом рост содержания примесных атомов железа в сложном нитриде (П, Ре)Ы также ведёт к уменьшению остаточных напряжений.
Результаты расчётов показали, что нанесение ПАС на основе чистых металлов СП - Сг), (11 -Мо) приводит к увеличению перепада остаточных напряжений на границе с ИО, а ПАС на основе (Т1 - Ъх) и СП - Ре) - к его уменьшению. При этом более существенное снижение характерно для ПАС СП - Ре). Использование в качестве ПАС нитридов тугоплавких металлов ещё в большей степени увеличивает перепад напряжений на границе с ИО, а применение нитрида СП, Ре)К ведёт к его снижению. Аналогичные изменения остаточных напряжений и их перепада на границе с ИО имели место при использовании сочетания ПАС, причём сочетание ПАС на основе титана и железа и их нитрида не только снижает перепад напряжений на границе с ИО, но и способствует плавному изменению остаточных напряжений в покрытии от внешнего слоя к ИО.
Наименьшие остаточные напряжения характерны для покрытий с ПАС, в состав которых входят титан и железо. Нанесение ПАС на основе чистых титана и железа снижает остаточные напряжения на 23 %, на основе их нитрида - на 9 %, при их сочетании - на 21 % по сравнению с покрытием ИМ.
Экспериментальная проверка предложен-ной методики расчёта остаточных напряжений в покрытии с ПАС показала различие между расчётными и экспериментальными значениями напряжений в пределах 8...22 %, что позволяет использовать её на этапе проектирования РИ с покрытиями.
На основе результатов проведённых расчётов остаточных напряжений предложены конструкции покрытий на основе Т^ с ПАС (Л - Ре), СП, Ре)И и сочетания СП - Ре) + СП, Ре)Ы, а также на основе сложного нитрида СП, 2г)Ы с сочетанием ПАС (П-Ъх-Щ + (Т1,Ъх,¥е)Ы.
Для определения рациональных конструкций указанных выше покрытий исследовали их структурные параметры, механические свойства и интенсивность износа РИ. Износостойкие ион-
А
<7о
-1450 МПа
-1250 -1150 -1050
А
> -------
2
0,18 0,16 А
0,14
0,12 Ко 0,1
2 2,5
Ь(П,Ре)Ы
мкхм 3,5
но-плазменные покрытия наносили на установке
«Булат-бТ» на пластины из быстрорежущей стали Р6М5К5. Закрепление их в державке обеспечивало следующую геометрию: у = 10°, а = 8°, ф = 45°, ср1 = 15 . Обрабатывали заготовки из конструкционной малолегированной стали ЗОХГСА и нержавеющей стали аустенитного класса 12Х18Н10Т на токарно-винторезном станке 16К20 с применением 5 %-ной эмульсии «Укринол - 1М», подаваемой поливом с расходом 6...8 дм3/мин. Структурные исследования образцов с покрытиями проводили методами рентгеновской дифрактометрии на установке «ДРОН - 3» с использованием фильтрованного Сока- и СиКа-излучения в режиме пошаговой съемки, микротвердость покрытий измеряли с использованием пирамиды Виккерса на микротвердомере ПМТ-3, прочность сцепления покрытий с ИО оценивали методом воздействия лазерного излучения на технологической установке импульсного действия «Квант-15» [3].
Исследования проводили с использованием симплексно-суммируемого ротатабельного плана второго порядка с размещением опытов в вершинах и в центре шестиугольника [4] с компьютерной статистической обработкой данных.
Установлено, что наличие ПАС практически не оказывает влияния на период кристаллической решётки и полуширину рентгеновской линии, однако приводит к существенному снижению (на 15...46 %) величины остаточных напряжений в покрытии по сравнению с соответствующим однослойным покрытием (рис. 1). При этом величина снижения остаточных напряжений определяется как составом, так и соотношением толщин ПАС и основного покрытия.
Изменение структурных параметров покрытия находит отражение в изменении его механических свойств. Наличие ПАС незначительно увеличивает микротвёрдость покрытия (не более чем на 11 %), но существенно повышает прочность адгезионной связи покрытия с ИО, о чём свидетельствует снижение коэффициента отслоения на 55...79 % по сравнению с соответствующим однослойным покрытием (см. рис. 1). Повышение прочности сцепления покрытия с ИО объясняется уменьшением остаточных напряжений в покрытии и их перепада на границе раздела «покрытие - ИО».
А
Со
а
Рис. 1. Влияние толщины ПАС (П, Ре)1^ Ьаг Ре)М (а) и СП, Ъх, Ре^ Ь(Т1,2г, яе)ы (б) на остаточные напряжения с0 (1) и коэффициент отслоения Ко (2) для покрытий СП - Ре) + (П, Ре)К + ПЫ (а) и СП - Ъх - Ре)
+ СП, Ъх, Ре)Ы + СП, Ъх)Ы (б) при общей толщине покрытия 7 мкм
-3400 Г--Л-1 0,55
МПа / А 0,45 А
-1900 1-5-1 ^-Н-Н 0,25
2 2,5 мкм 3,5
Наличие ПАС в покрытии снижает интенсивность износа РИ (рис. 2). При этом степень снижения интенсивности износа РИ также определяется составом и соотношением толщин ПАС и основного покрытия.
Установлено, что при обработке заготовок из стали ЗОХГСА интенсивность износа РИ с покрытиями на основе снижается в 1,4 - 2,8 раза в зависимости от состава ПАС, а на основе ("Л, Zr)N - в 1,7 раза по сравнению с соответствующими однослойными покрытиями. При обработке заготовок из стали 12Х18Н10Т снижение интенсивности износа РИ несколько меньше: в 1,3-2,2 раза и в 1,5 раза соответственно.
Стойкостными испытаниями установлено, что применение покрытий с ПАС позволяет повысить период стойкости РИ из стали Р6М5К5 в 1,4-4,2 раза по сравнению с РИ с однослойным покрытием Т^ в зависимости от состава и кон-
струкции покрытия, режима резания и свойств обрабатываемого материала (рис. 3). Наибольшую работоспособность имеют РИ с покрытием СП -Ъх- Ре) + СП, Хх, Ре)Ы + (Т\, 2г)Ы при обработке заготовок как из стали ЗОХГСА, так и из стали 12Х18Н10Т.
В порядке повышения работоспособности РИ по сравнению с покрытием при оработке заготовок из сталей ЗОХГСА и 12Х18Н10Т износостойкие покрытия можно расположить в следующий ряд: СП, Ре)Ы + ТО, (И, 2г)Ы, (П - Ре) + (Н Ре)Ы+™,СП-&-Ре)+СП, Ре)Ы+(Тц .
Опытно-промышленными испытаниями подтверждена высокая работоспособность РИ с разработанными покрытиями, имеющими ПАС. Зафиксировано повышение периода стойкости РИ в среднем в 1,8-3 раза на операциях сверления, зенкерования и зубофрезерования по сравнению с РИ с покрытием ТГЫ.
А
а
Рис. 2. Влияние толщины ПАС СП, Ре)Ы Ре)к на интенсивность износа РИ ] из стали Р6М5К5 с покрытиями СП, Ре^ + Т1Ы (1, 2) и СП - Ре) + (П, Ре)Ы + Т^ (3): 1, 2, 3 - толщина покрытия соответственно 5, 6,5 и 7 мкм; материал заготовок - сталь ЗОХГСА (а) и 12X18Н10Т (б): а - скорость резания V = 55 м/мин; подача Б = 0,3 мм/об, глубина резания I = 0,75 мм; б - V = 18 м/мин, Б = 0,2.1 мм/об, I = 0,5 мм
100
мин
50
А 30
20
Т
10
5 50 55 м/мин 70
V
А
а
Рис. 3. Влияние скорости резания V на период стойкости Т РИ из стали Р6М5К5 с покрытиями при точении заготовок из сталей ЗОХГСА (а) и 12Х18Н10Т (б): 1 -ТН*; 2 - СП, Ре)Ы + ТГО; 3 - СП, Zx)^N^, 4 - ("Л - Ре) + СП, Ре)Ы + ТМ; 5 - СП - Ъх - Ре) + (Т1, Ъх, Ре)Ы + СП, 2г)1М; а - Б = 0,3 мм/об, I = 0,75мм;
б - Б = 0,3 мм/об, г = 0,5 мм
03
1,5 2 2,5 3 мкм 3,5
мкм 3,5
100 мин 70
50
10
20 м/мин 30 V ——
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Верещака, А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями / А. С. Верещака. - М. : Машиностроение, 1993.-336 с.
2. Любошиц, М. И. Справочник по сопротивлению материалов / М. И. Любошиц, Г. М. Иц-кович. - Минск : Вышэйшая школа, 1969. -464 с.
3. Табаков, В. П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана / В. П. Табаков. - Ульяновск : УлГТУ, 1998.-124 с.
УДК 621.735
4. Налимов, В. В. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов / В. В. Налимов, Н. А. Чернова. - М. : Наука, 1965.-340 с.
Рандин Алексей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Начертательная геометрия и машинная графика» УлГТУ. Имеет статьи и патенты в области нанесения износостойких покрытии
Ю. А. ТИТОВ, А. Ю. ТИТОВ
КЛАССИФИКАТОР ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ С ОТВЕРСТИЕМ В ДОННОЙ ЧАСТИ
Рассматриваются вопросы разработки металлосберегающих технологических процессов с использованием вытяжш - отбортовки. Разработан классификатор осесимметричных листовых деталей с отверстием в донной части, позволяющий сократить сроки внедрения новых технологических процессов.
Ключевые слова: листовые детали.
Одной из самых распространённых операций листовой штамповки является вытяжка - наиболее эффективная формоизменяющая операция ввиду возможности её полной автоматизации и совмещения с другими операциями.
Анализ широкой номенклатуры деталей типа тел вращения с отверстием в донной части позволил разработать классификатор (табл.1), основанный на трёх конструктивных признаках: форма детали, форма дна и положение отверстия в донной части. Общими особенностями технологии изготовления деталей, представленных в указанном классификаторе, является использование ряда формоизменяющих и разделительных операций - пробивки, отбортовки и обрезки технологического припуска. Основной недостаток таких технологий - низкий коэффициент использования металла, так как отход, получаемый после пробивки, часто не используется.
К первой группе, согласно классификатору, относятся детали, не имеющие дна. Такие детали изготавливают с применением вытяжки, пробивки и полной отбортовки. Детали подгрупп 2.1, 3.1 характеризуются тем, что после вытяжки осуществляется пробивка отверстия в плоском элементе донной части. В деталях подгрупп 2.2, 3.2 после
Ю. А. Титов, А. Ю. Титов, 2007
пробивки отверстия производится отбортовка, таким образом получается отверстие в плоском элементе донной части с образованием вертикальной стенки. Технологии изготовления деталей с фигурным дном характеризуются применением прямой или реверсивной вытяжки с пробивкой отверстия (3.1) и прямой или обратной отбортовкой (3.2).
Как видим, формообразование деталей всех групп осуществляется за счёт деформации фланцевой части заготовки. С целью металло-сбережения целесообразно использовать вытяж-ку-отбортовку, при которой формообразование осуществляется за счёт перемещения металла из фланцевой и донной частей. Это позволит уменьшить диаметр заготовки и увеличить коэффициент использования металла, а в некоторых случаях и уменьшить число переходов.
Металлосберегающие технологические процессы с использованием вытяжки-отбортов-ки для изготовления деталей всех групп и подгрупп классификатора будут состоять из операций, представленных в табл. 2.
Разработанный классификатор будет способствовать ускоренному внедрению новых технологических процессов изготовления деталей типа тел вращения с отверстием в донной части при существенном сокращении трудоёмкости технологической подготовки производства.
