Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
GRNTI 55.03 Машиноведение и детали машин
BBK 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
The results of experimental studies of the durability of hardening coatings of carbide-tipped plates during the turning of corrosion-resistant heat-resistant steel 08X18H10T are presented. The experiment was conducted in production conditions with the use of existing industrial equipment, technological equipment and tools. As a work piece, a tee was used - a connecting piece of pipelines. The peculiarity of the experiment was the intermittent nature of cutting with impact loads. The stability of carbide-tipped plates with various methods of applying hardening coatings was investigated. Using the electron microscope, the microstructure of the cutting inserts is analyzed after the thermal, force and impact loads of the cutting process have been affected. The effect of technological modes of turning on the tool's durability is established, the wear characteristics are revealed depending on the method of applying the hardening coating. The obtained results allow reasonably assigning technological regimes and predicting the tool's stability when turning heat-resistant steel under shock loads.
wear-resistant coatings, Method of coating, Turning corrosion-resistant heat-resistant steel, Re-sistancecarbide tools, Results of micro-study of cutting inserts
Введение. В инструментальном производстве наибольшее промышленное применение получили два основных метода нанесения износостойких покрытий: метод химического осаждения покрытий CVD (Chemical Vapour Deposition) и метод физического осаждения покрытий PVD (Physical Vapour Deposition) [1].
Метод химического осаждения покрытий CVD основан на протекании гетерогенных химических реакций в парогазовой среде, окружающей инструменты, в результате которых образуется износостойкое покрытие. Получение покрытий из тугоплавких соединений путем осаждения их из газовой фазы основано на восстановлении летучих соединений металлов водородом в присутствии активных составляющих газовой смеси, которые, взаимодействуя с выделяющимся в свободном виде металлом, образуют соответствующие тугоплавкие соединения. Конденсация покрытий осуществляется на поверхности инструмента, нагретого до необходимой температуры 900–1200 °С при давлении близком или равном атмосферному [2].
Метод физического осаждения покрытий PVD основан на получении в среде вакуума пара осаждаемого материала в результате воздействия на изготовленный из него катод различных источников энергии. Данный метод позволяют получать пар практически любого твердого вещества, а для синтеза его соединений на поверхности инструмента, например нитридов, оксидов или карбидов, используются нетоксичные газы – азот, кислород, ацетилен и другие, не представляющие опасности для окружающей среды. Метод физического осаждения покрытий универсален с позиции получения гаммы одно и многослойных покрытий практически любого состава, в том числе с алмазоподобной и наноразмерной структурами, а также позволяет реализовывать процессы нанесения при более низких температурах 500–600°С [3].
Метод нанесения износостойкого покрытия оказывает существенное влияние на стойкость режущего инструмента в различных технологических условиях. Покрытия CVD позволяют вести обработку на более высоких скоростях резания, но являются более хрупкими, по сравнению с PVD покрытиями. Задачей исследования являлось сравнение стойкости и выявление особенностей износа многослойных покрытий, полученных методами CVD и PVD, при одинаковых технологических режимах в условиях ударных нагрузок при точении труднообрабатываемого материала.
Методика. Эксперимент проводился в производственных условиях на ОАО «Ракитянский Арматурный Завод» с использованием действующего оборудования, инструмента и технологической оснастки. В качестве основного оборудования использовался токарный обрабатывающий центр для тяжелых условий обработки модели PUMA480LM, в качестве режущего инструмента – токарный резец со сменной многогранной пластиной из твердого сплава, состоящий из державкиA25R-DWLNR08 и пластины. Применялись два типа твердосплавных пластин с покрытием, полученным разными технологическими способами – CVD и PVD. Для качественного и бесперебойного отвода стружки из зоны резания, а также для ее эффективного ломания, был выбран стружколом геометрии ММ [4]. Для закрепления инструмента была использована базовая револьверная головка станка DOOSAN модели PUMA480LMс 12 инструментальными позициями для закрепления инструмента. Обрабатываемое изделие – тройник из коррозионно-стойкой жаропрочной стали 08Х18Н10Т [5], соединительная деталь трубопровода, предназначенная для разветвления и изменения направления потока среды основной магистрали (рис. 1) [6]. Технологической особенностью обработки тройника являются периодически возникающие ударные нагрузки, связанные с точением прямоугольного сечения заготовки при формировании цилиндрического сечения магистрали и горловины тройника.
а) б)
Рис. 1. Тройник по ОСТ24.125.16-89: а – заготовка; б – деталь после операции точения
В качестве измерительного инструмента применялся ручной микроскоп TWNU-80. Износ измерялся по задней поверхности, критическое значение принято – 0,3 мм. Замер износа проводился после каждого прохода [7]. Для исследования микроструктуры износа многослойного покрытия использовался электронный микроскоп MIRA3 TESCAN.
Основная часть. Для сравнения стойкости многослойных покрытий использовались пластины WNMG080408-MM (рис. 2) с покрытиями KMM253 и KMG203.
Двухслойное покрытие KMM253 состоит из нижнего слоя TIN и верхнего слоя.AL2O3. Уравнение химической реакции при формировании покрытий имеют вид [8, 9]:
Рис. 2. Внешний вид пластины WNMG080408-MM
при осаждении нитрида титана TiN
, (1)
при осаждении оксида алюминия AL2O3
. (2)
Нижний слой TiN обладает твердостью по Виккерсу 22–24 ГПа. Верхний слой AL2O3 имеет более высокую микротвердость, которая в зависимости от типа кристаллической решетки и режимов осаждения может составлять до 35 Па [10]. Покрытие AL2O3 сохраняет механические свойства при больших температурах резания и характеризуется повышенной пассивностью по отношению ко многим обрабатываемым материалам, но при этом является чрезвычайно хрупким. Применяется в качестве барьерного слоя, сдерживающего диффузионные процессы, а также окисление и коррозию режущих кромок инструмента при высоких температурах.
Покрытие KMG203 – это нано покрытие на основе TiAlN. Характерной особенностью покрытия является образование в процессе резания на его поверхности слоя AL2O3, служащего тепловым барьером. Обладает повышенной стойкостью к окислительному износу, высокой твердостью по Виккерсу (до37 ГПа) и имеет коэффициент трения по стали 0,6 [11]. Применяется для операций с большими термическими нагрузками: при высокоскоростной обработке, резании материалов с пониженной теплопроводностью, а также обработке твердых материалов, в том числе без применения СОЖ [12].
В результате планирования эксперимента второго порядка по схеме рототабельного планирования получены эмпирические модели стойкости режущего инструмента в зависимости от скорости резания и подачи при постоянной глубине резания [13–15]:
для сплава KMM253
, (3)
для сплава KMG203
. (4)
Результаты измерения стойкости при разных технологических режимах представлены в табл. 1, рис.3. В большинстве экспериментов покрытие KMG203(PVD) показало более высокую стойкость, за исключением двух режимов с максимальной скоростью 102 м/мин и максимальной подачей 0,18 мм/об. Максимальная стойкость покрытий наблюдается на режимах с минимальной скоростью (18 м/мин, 0,11 мм/об) или минимальной подачей (30 м/мин, 0,06 мм/об).
Таблица 1
Стойкость покрытий при различных режимах резания
|
|
Глубина резания, мм |
Скорость резания, м/мин |
Подача, мм/об |
Стойкость инструмента, мин |
|
|
KMM253 (CVD) |
KMG203(PVD) |
||||
|
1 |
2,5 |
90 |
0,16 |
4,54 |
9,57 |
|
2 |
2,5 |
30 |
0,16 |
9,7 |
38,41 |
|
3 |
2,5 |
90 |
0,06 |
44,04 |
40,67 |
|
4 |
2,5 |
30 |
0,06 |
62,18 |
153,11 |
|
5 |
2,5 |
102 |
0,11 |
13 |
4,99 |
|
6 |
2,5 |
18 |
0,11 |
97,67 |
152,26 |
|
7 |
2,5 |
60 |
0,18 |
12,76 |
6,75 |
|
8 |
2,5 |
60 |
0,04 |
57,42 |
71,91 |
|
9 |
2,5 |
60 |
0,11 |
19,07 |
29,36 |
|
10 |
2,5 |
60 |
0,11 |
22,69 |
33,28 |
|
11 |
2,5 |
60 |
0,11 |
20,88 |
29,36 |
|
12 |
2,5 |
60 |
0,11 |
20,2 |
29,7 |
Рис. 3. Стойкость покрытий (мин) при различных режимах резания
В результате исследования с применением электронного микроскопа MIRA3 TESCAN был выявлен характер износа по задней поверхности режущих кромок. У сплава с двухслойным покрытием CVD ярко выражен износ и имеет место разрушение режущей кромки по основному материалу. У сплава с покрытием PVD режущая грань осталась недеформированной, а износ по задней поверхности расположен только в области пятна контакта при резании. В обоих покрытиях выявлено истирание покрытия в области возвышения стружколома и образование бороздки на боковой поверхности кромки, не участвующей в резании. Данный износ вызван удалением стружки из зоны обработки и не влияет на стойкостные параметры инструмента.
а) б)
в) г)
Рис. 4. Характер износа режущей пластины: а, в – для сплава KMM253 с покрытием CVD;
б, г – для сплаваKMG203 с покрытием PVD
Для исследования микроструктуры и структурных изменений под действием тепловых и ударных нагрузок были использованы функции электронного микроскопа, позволяющие получить увеличенное изображение с ценой деления 0,2 мкм. Данное увеличение позволяет исследовать слои поверхностного слоя и адгезию между ними (рис. 5, рис. 6).
а) б) в)
Рис. 5. Слои покрытия сплава KMM253 с технологией CVD:
а – увеличение до цены деления 20 мкм; б – увеличение до цены деления 2 мкм,
в – увеличение до цены деления 0,2 мкм
а) б) в)
Рис. 6. Слои покрытия сплава KMG203 с технологией PVD:
а – увеличение до цены деления 20 мкм; б – увеличение до цены деления 2 мкм,
в – увеличение до цены деления 0,2 мкм
На рис. 5 при увеличении до 0,2 мкм в структуре покрытия KMM253 с технологией CVD ярко выражены границы слоёв, верхний AL2O3 и нижний TiN слои покрытия имеют различную характерную структуру, наблюдается нарушение адгезии с основным материалом пластины. Покрытие KMG203 с технологией PVD (рис. 6) имеет однородную структуру покрывающего слоя TiAlN, нарушение адгезии с основным материалом не выявлено.
Исследования химического состава показало зоны износа внешних и внутренних покрытий, а также зоны высвобождения основного инструментального материала (табл. 2).
Таблица 2
Химический состав покрытий в зоне режущей кромки
|
Покрытие KMM253CVD |
Покрытие KMG203 PVD |
|
|
верхний слой AL2O3 |
|
|
|
|
||
|
нижний слой TiN |
||
|
|
||
|
основной инструментальный материал |
||
|
|
|
|
+6 
Выводы. Выполнено экспериментальное исследование, разработаны эмпирические модели стойкости сменных многогранных твердосплавных пластин с износостойкими покрытиями, полученными разными методами: методом химического осаждения CVD и методом физического осаждения PVD, при точении коррозионно-стойкой жаропрочной стали 08Х18Н10Т в условиях ударных нагрузок. Анализ показал, что в данных технологических условиях покрытие KMG203 с технологией PVD имеет более высокую стойкость по сравнению с покрытием KMM253 технологии CVD в среднем на 45%. Выявлены особенности износа покрытий, у покрытия KMM253 наблюдалось нарушение адгезии слоев при действии тепловых и ударных нагрузок.
1. Blinkov I.V. Chelnokov V.S. Pokrytiya i poverhnostnoe modificirovanie materialov: kriterii vybora pokrytiy, ih svoystva: ucheb. posobie MISiS. M.: Ucheba, 2003. 76 s.
2. Grigor'ev S.N. Metody povysheniya stoykosti rezhuschego instrumenta: uchebnik dlya studentov vuzov. M.: Mashinostroenie, 2011. 368s.
3. Narcev V.M., Zaycev S.V., Prohorenkov D.S., Evtushenko E.I., Vaschilin V.S. Zavisimost' struktury ALN-pokrytiy ot koncetracii azota pri osazhdenii na sapfir magnetronnym metodom // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2016. №1. S. 144-149.
4. Pchelkin V. M., Duyun T.A Empiricheskie modeli iznosostoykosti tverdosplavnyh plastin pri tochenii korrozionno-stoykoy zharoprochnoy stali // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2016. №12. S. 126-131.
5. Sorokin V.G. Volosnikova A.V., Vyatkin S.A. Marochnik staley i splavov. M.: Mashinostroenie, 1989. 640 s.
6. GOST 5632-72 Stali vysokolegirovannye i splavy korrozionno-stoykie, zharostoykie i zharoprochnye Marki. M.: IPK Izdatel'stvo standartov, 1997. 64 s.
7. Pchelkin V.M. Osobennosti iznosa tverdosplavnyh plastin pri vysokoskorostnoy obrabotke // Obrazovanie, nauka, proizvodstvo. 2015. T.1. BGTU im. V.G. Shuhova. C.1703-1707.
8. Anurag Srivastava, Bhoopendra Dhar Di-wan, Structural and elastic properties of ZrN and HfN: ab initio study// Canadian journal of Physics. 2014. Vol. 92. Pp.1058-1061
9. Stroibe W. Comminution Technology and Energy consumption. Part 1 // Cement Interrational. 2003. №2.
10. Shpur G. Spravochnik po tehnologii rezaniya materialov / G. Shpur, T. Shteferle // - M.: Mashinostroenie, 1985. 616 s.
11. Greyer K., Hintze W., Muller M. Schnittstoffezur Trockenbearbeitung // Werkstatt und Betrieb. 130 (1997). № 6. Pp. 420-425.
12. Duyun T.A., Grinek A.V., Saharov D.V. Upravlenie teplovymi parametrami processa mehanicheskoy obrabotki s ispol'zovaniem chislennogo modelirovaniya ih teplovyh zavisimostey // Promyshlennye kontrollery ASU. 2015. №10. S. 43-50.
13. Rebrova I.A. Planirovanie eksperimenta. Omsk: SibADI, 2010. 105 s.
14. Boyko A.F. Teoriya planirovaniya i organizaciya mnogofaktornyh eksperimentov / A.F. Boyko, M.N. Voronkova. - Belgorod: Izd-vo BGTU im. V.G. Shuhova, 2013. 73 s.
15. Spiridonov A.A. Planirovanie eksperimenta pri issledovanii tehnologicheskih processov. M.: Mashinostroenie, 1981. 184 s.
