Меню Рубрики

Установки для износостойкого покрытия инструмента

Методы нанесения износостойких покрытий на инструмент

В последние годы для повышения производительности обработки резанием труднообрабатываемых сталей и сплавов применяют режущий инструмент повышенной работоспособности за счет нанесения на его рабочие поверхности упрочняющих износостойких покрытий.

Состав и свойства износостойких покрытий в значительной степени зависят от техники и технологии их нанесения. Методы нанесения путем осаждения делятся на две большие группы: физические (ФОП, или PVD) и химические (ХОП, или CVD) (рис. 4.20). Внутри этих двух основных групп существует довольно большое количество разновидностей. Кроме того, применяются комбинированные методы или методы с поддержкой или активацией от других источников энергии.

Рис.4.20. Разновидности способов нанесения износостойких покрытий.

При физическом осаждении (PVD) материал покрытия переходит в газовую фазу из твердого состояния в результате испарения под воздействием тепловой энергии или в результате распыления за счет кинетической энергии столкновения частиц материала. Энергия, распределение и плотность потока частиц определяется методом нанесения, параметрами процесса и формой источника частиц. Нанесение покрытий методом PVD обычно происходит при невысокой температуре (до 450°С), что не приводит к практическим ограничениям по материалам, на которые наносится покрытие. Это особенно важно при нанесении покрытия на быстрорежущую сталь, так как температура не превышает температуру отпуска закаленной стали (около550°С). Все процессы PVD происходят в вакууме или в атмосфере рабочего газа при достаточно низком давлении (около 10 -2 мбар). Это необходимо для облегчения переноса частиц от источника (мишени) к изделию (подложке) при минимальном количестве столкновений с атомами или молекулами газа. Это же условие определяет обязательность прямого потока

частиц. В результате покрытие наносится только на ту часть изделия, которая ориентирована к источнику частиц. Скорость осаждения (скорость нанесения покрытия) зависит в этом случае от относительного расположения источника и материала. Для равномерного нанесения покрытия необходимо систематизированное движение материала или применение нескольких, определенным образом расположенных источников. В то же время, покрытие наносится только на поверхности «в прямой видимости источника», оставляя другие без покрытия. Это абсолютно невозможно при использовании метода химического осаждения.

Одними из основных факторов, определяющих качество покрытия, нанесенного методом физического осаждения, являются чистота исходных материалов, необходимый уровень вакуума и чистота реакционного газа.

Методы физического осаждения покрытий универсальны с точки зрения получения гаммы однослойных, многослойных и композиционных покрытий на основе нитридов, карбидов, карбонитридов, оксидов, боридов тугоплавких металлов IV-VI групп периодической таблицы и позволяют реализовывать процессы нанесения при температурах 300-800 °С, что обеспечивает возможность их применения для быстрорежущих сталей и твердых сплавов. Сегодня в промышленности распространены покрытия TiN, TiCN, (TiAl)N, а также многие другие.

Метод химического осаждения (CVD) практически не имеет ограничений по химическому составу покрытий. Все присутствующие частицы могут быть осаждены

на поверхность материала. Какие покрытия при этом образуются, зависит от комбинации материалов и параметров процесса. Если процесс протекает при заполнении пространства реакционным газом (кислородом, азотом или углеводородом), то происходит нанесение оксидных, нитридных и карбидных покрытий. При этом происходит химическая реакция между атомами осаждаемых металлов и молекулами реакционного газа. Состав покрытия зависит от парциального давления реакционного газа и скорости осаждения покрытия.

При химическом осаждении происходят химические реакции на или около поверхности покрываемого материала. В противоположность процессам PVD, при которых твердые материалы покрытия переводятся в газообразную фазу путем испарения или распыления, при процессе CVD в камеру покрытия подается смесь газов. Для протекания необходимых химических реакций требуется температура до 1100°. Это необходимое условие существенно ограничивает число материалов, на которые можно нанести покрытие методом CVD. Если твердые сплавы выдерживают такой нагрев практически без последствий, то термообработанные быстрорежущие стали теряют все свои свойства в результате отпуска. Процессы CVD происходят в менее глубоком вакууме при давлениях между 100 и 1000 Па. В результате обеспечивается нанесение покрытия на всю поверхность изделия. Отпадает необходимость вращения изделия, как при методе PVD. Это одно из преимуществ метода CVD. Для получения одинаковых свойств покрытия во всем объеме камеры покрытия (особенно большой) необходимо обеспечить оптимальные потоки газа. Для этого применяется специальная система подачи газа, так называемый газовый душ. В отличие от установок PVD, установки CVD имеют довольно большой размер. Для предотвращения опасных выбросов

Читайте также:  Установка задних колонок на акценте

газов в атмосферу требуется система фильтров. Благодаря высокой температуре нанесения, обеспечивающей частичную диффузию материала покрытия в материал основы, покрытия CVD характеризуются лучшей адгезией (сцепляемостью) покрытия и основного материала.

Методом CVD наносятся в основном покрытия TiN, TiCN, заменившие покрытие TiC и Al2O3. Последнее покрытие, представляющее собой керамику, может быть нанесено только методом CVD, так как не является электропроводным. Метод обеспечивает создание однослойных, двухслойных и даже трехслойных покрытий, состоящих целенаправленно из карбида титана, нитрида титана и карбонитрида титана на поверхности материала инструмента.

Таблица 4.11 Параметры технологии нанесения покрытий.

Параметры технологии PVD CVD
Давление, Па 2 > 10 2
Температура основы, O C 500
Скорость осаждения высокая низкая
Адгезия хуже лучше
Поры / трещины редко возможны
Параметры производства
Размер партии маленький большой
Требования к оборудованию высокие низкие
Стоимость высокая низкая

В результате указанные выше свойства двух методов нанесения покрытия опре-

деляют их область применения. Химический метод применяется для нанесения покрытия на твердосплавные пластины, в первую очередь для токарной обработки. Они выпускаются большими партиями и могут обеспечить загрузку установок CVD. Немаловажную роль здесь играет также отсутствие длительной подготовки поверхности и необходимости перемещать изделие в процессе нанесения покрытия.

Рынок покрытий разделен между двумя методами следующим образом. Инструменты из быстрорежущей стали по указанным выше причинам покрываются только

методом PVD. Для остальных инструментальных материалов (твердого сплава, ке-рамики и сверхтвердых материалов) доля инструментов с покрытием CVD составляет около 40%.

Широкое использование инструментальных материмлов с покрытиями в промышленности позволяет решать целый ряд важных задач:

• существенное увеличение стойкости и надежности формообразующего инструмента;

• повышение срока работы инструмента и увеличение производительности процессов формообразования деталей;

• снижение расхода дорогостоящего инструментального материала и скудных элементов типа Со, W, Та, Мо для их подготовки;

• увеличение свойства поверхностного слоя инструмента и точности размеров обрабатываемого изделия;

• повышение производительности станочного оборудования за счет увеличения скорости резания и подачи.

Однако необходимо понимать, что износ режущего инструмента может быть уменьшен предварительным нанесением износостойких покрытий только в том случае, если изначально в технологический процесс механической обработки не заложены механизмы фатального разрушения материала самого инструмента. Это пластическая деформация, возникающая при неправильном подборе соотношения нагрузки на инструмент и твердости материала инструмента; скалывание, возникающее при неправильно подобранном соотношении нагрузки и вязкости (пластичности); трещинообразование, возникающее в результате несоответствия нагрузки на инструмент и его ударной вязкости. Эффективность использования износостойких покрытий также существенно уменьшается при применении несовершенного станочного оборудования.

Режущий инструмент, на который наносится покрытие, должен быть сам по себе достаточно прочным, вязким и теплостойким, а также обладать высокой твердостью режущей кромки, превышающей твердость обрабатываемого материала, плюс высокой адгезионной и абразивной износостойкостью. Производители режущего инструмента регулярно представляют на мировом рынке все новые и новые марки твердых сплавов и покрытий для различных видов обработки. Большинство инструментов (до 70%) выпускается уже с предварительно нанесенными покрытиями. Предлагаются как оригинальные способы нанесения покрытий, так и разнообразные архитектуры и химические составы самих покрытий, межфазных границ «покрытие — подложка» и границ между различными слоями, если покрытие многослойное.

источник

Виды покрытий и твердых сплавов для режущего инструмента

Виды покрытий и твердых сплавов для режущего инструмента

Развитие обработки металлов показало, что одним из эффективных путей увеличения производительности является применение новых инструментальных материалов.

Покрытие, нанесенное на инструмент должно обеспечивать хорошую твердость и стойкость, для того чтобы в течение длительного времени сохранять режущие свойства инструмента.

Читайте также:  Установка капы для исправления прикуса

Покрывать можно инструмент любой геометрической сложности. В настоящее время примерно 75% в мире режущего инструмента изготавливается из твердого сплава. Качественно новый рывок изготовления режущего инструмента связан с открытием в конце прошлого века ионноплазменных технологий нанесения износостойких покрытий. В мире технологии по упрочнению представлены двумя метода: метод химического осаждения (Chemical Vapour Deposition — CVD) и метод физического осаждения покрытий (Physical Vapour Deposition — PVD).

В России широкое промышленное применение получили PVD-способы нанесения защитных покрытий на режущий инструмент. Это связано с тем, что технологии CVD предполагают использование дорогостоящих высокочистых химических реагентов (TiCl4, NH3 и др.) и точный контроль продуктов химических реакций в рабочей камере. А нанесение PVD-покрытий при помощи дугового или тлеющего разряда (магнетронa) обладает большей производительностью и не столь чувствительно к незначительным отклонениям технологических параметров. Многообразие применяемых в настоящее время способов физического осаждения износостойких покрытий сводится к испарению или ионному распылению титана или его сплавов.

Структуру и адгезию покрытия инструмента, а также его режущие свойства определяет многие параметры: степень ионизации, скорость и плотность потока напыляемых частиц, оптимизация температуры нанесения покрытий, различные режимы нанесения, конфигурация технологической оснастки, проведение предварительного ионного травления или легирования и многие другие особенности определяют структуру самих покрытий и строение межфазной границы «покрытие — подложка».

В начале 80х годов прошлого века начали применяться и сразу же продемонстрировали экономическую эффективность покрытия TiN. Следующим шагом было создание двух слойных покрытий, состоящих из последовательно нанесенных слоев карбида титана TiC или карбонитрида титана TiCN и тонкого поверхностного слоя оксида алюминия Al2O3.

Альтернативным вариантом служили многослойные покрытия типа TiCTiCNTiN. Следует отметить, что понятие «многослойные» во многих случаях весьма условно, поскольку методы напыления позволяют добиться отсутствия четко выраженных межфазных границ между слоями, а также между покрытием и подложкой. Многослойные износостойкие твердые покрытия обладают повышенной трещиностойкостью, улучшенной адгезией, высокой ударной прочностью, меньшим уровнем внутренних напряжений и напряжений на границе «покрытие — подложка» вследствие выравнивания коэффициентов термического расширения. Например, покрытие TiCN имеет многослойную двухфазную структуру TiN–TiCN, что увеличивает прочностные и вязкостные характеристики по сравнению с покрытием TiN.

В последнее десятилетие разработаны и широко применяются различные комбинации покрытий с применением тонких внешних твердосмазочных покрытий (например, TiAlN/MoS2), которые обеспечивают хороший отвод стружки. Низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью обладают высокотвердые алмазоподобные покрытия (diamondlikecarbon coatings — DLC). Однако у них имеется серьезный не достаток: очень высокий уровень внутренних напряжений, приводящий к охрупчиванию и отслаиванию при высоких контактных нагрузках, что ограничивает толщину покрытий до 1 мкм. Еще одна проблема такого покрытия — низкая теплопроводность, которая может приводить к их локальной графитизации с последующим вымыванием. Верхний рабочий температурный предел ограничен 250 °C, и требуется применение смазывающих охлаждающих жидкостей (СОЖ). Покрытия кубического нитрида бора (CBN) также обладают высоким уровнем внутренних напряжений и толщину покрытия не более 0,1 мкм.

В условиях конкуренции предприятия вынуждены постоянно совершенствовать свои технологические процессы в области снижения трудоемкости, улучшения качества и повышения эффективности использования оборудования.

При обработке резанием максимальная эффективность достигается при интегрированном использовании высокотехнологичного оборудования, оснащенного ЧПУ, и современного металлорежущего инструмента, обеспечивающего более высокие скорости резания и производительность.

Наиболее универсальная группа режущих материалов, позволяющих производить обработку подавляющего большинства металлических и неметаллических материалов. Твердосплавный инструмент предназначен для работы со скоростями резания до 300 м/мин (сверла 50–70 м/мин, новейшие разработки до 90-180 м/мин); используется, в основной массе, на станках зарубежных производителей с частотой вращения шпинделя в среднем до 10000 об/мин. Для улучшения свойств (увеличения твердости, уменьшения радиуса скругления режущей кромки и, как следствие, увеличения стойкости работы инструмента) производители стремятся к уменьшению зерна сплавов.

Производители предлагают широкую гамму исполнений геометрий для обработки любых металлических материалов. Из зарубежных поставщиков в России работают: Sandvik Coromant, Iskar, Wolf, Seco, Mitsubishi, Walter, Korloy, Kennametal, Dormer.

Читайте также:  Установка расходомера в ду15

Среди российских производителей следует отметить ООО «СКИФ – М» (Белгород) — разработчик и изготовитель фрез со сменными режущими пластинами из твердого сплава и ОАО «Серпуховской инструментальный завод «Твинтос». Завод «Твинтос» также осуществил оригинальные разработки конструкций фрез, программного обеспечения и изготавливает фрезы методом вышлифовывания из твердосплавных заготовок зарубежных производителей.

Одним из недостатков практически всех перечисленных поставщиков является отсутствие услуг по переточке цельных твердосплавных фрез и утилизации твердосплавных пластин и рабочих частей фрез. Следует также заметить, что все эти поставщики ориентированы, прежде всего, на продажи инструмента для нового, современного оборудования, а работы по подбору твердосплавного инструмента с СМП для оборудования отечественного производства ведутся крайне неохотно.

При сухой обработке хорошо себя зарекомендовало покрытие TiAlN. Это покрытие позволяет улучшить адгезию, повысить ударную прочность, снизить коэффициент трения, обладают повышенной трещиноустойчивостью.

В то же время, покрытия увеличивают радиус скругления режущей кромки, что неблагоприятно сказывается, например, при снятии небольшого припуска.

Сравнительная таблица покрытий режущего инструмента


Некоторые покрытия характеризуются высокими внутренними напряжениями, приводящими к отслаиванию покрытий. Наиболее применимы покрытия на неперетачиваемых инструментах и пластинах, т.к.при переточке покрытия на участках, подвергаемых заточке, полностью разрушаются.

В России нанесением покрытий занимается ООО «Технологические покрытия» (Москва), ООО НПФ «Элан Практик»(Нижний Новгород).

Основные виды покрытий PVD (характеризуются толщиной 1-3,5 мкм, поэтому применяются для режущих кромок с маленьким радиусом скругления, позволяющих снизить силы резания, улучшить стружкодробление, предотвратить вибрации) и CVD-покрытия с толщиной до 20 мкм (Al2O3). Основная разница между этими покрытиями состоит в способе нанесения: для PVD покрытия (400–500оС) применяется физическое осаждение, для CVD (1000–1100оС) – химическое.

Ударное механическое разрушение инструмента также неблагоприятно сказывается на работе покрытий, поэтому их эффективность может снижаться при использовании несовершенного оборудования.

Кроме износостойких покрытий (наиболее распространенные нитридные TiAlN, TiAlCrN, TiN) используются твердосмазочные покрытия, обладающие очень низким коэффициентом трением и обеспечивающие снижение сил резания и удаление стружки (TiO2, WO3V2O5).

Инструмент с напайными твердосплавными пластинами, либо со сменными твердосплавными ножами для торцевых фрез, наиболее распространен в России. Его достоинства: простота, низкая стоимость. Основной недостаток — низкая производительность, необходимость качественной заточки. Скорость резания редко превышает 100 м/мин.

Инструмент с покрытием и без него


Твердые сплавы с покрытием CVD:

— надежный контакт покрытия с высокопрочной основой;

— препятствуют образованию нароста и высокая износостойкость;

— дает оптимальный выбор для черновой обработки нержавеющих сталей;

— высокая эффективность обработки низкоуглеродистых и конструкционных сталей;

— высокая стойкость при обработке труднообрабатываемых материалов;

Твердые сплавы без покрытия

Твердыми сплавами являются инструментальные материалы полученные методом порошковой металлургии в основе которых лежит карбид вольфрама, титана, тантала с применением кобальтовой связки (TaC, TiC, WC и Cо). Вакуумное спекание улучшает физические характеристики (прочность, износостойкость, теплостойкость и т.д.) материалов и расширяет область их применения. Преимущества: широкая номенклатура выпускаемых марок сплава для групп Р,М,К. Устойчивость к образованию термотрещин. Возможность изготовления СМП с высокой степенью точности геометрических размеров.

Твердые сплавы с покрытием РVD

— высокая эффективность обработки чугунов, углеродистых, нержавеющих и жаропрочных сталей;

— мелкозернистая структура основы обладает высокой твердостью и ударной вязкостью, которая препятствует выкрашиванию и повышает прочность режущей кромки;

— усовершенствованная технология РVD покрытия обеспечивает высокую твердость и препятствует окислительному износу при высоких температурах;

Ультра-мелкозернистый твердый сплав

Ультра-мелкозернистый твердый сплав имеет более высокую механическую прочность в сравнении с твердым сплавом имеющим средний размер зерна. Это позволяет существенно повышать скорость резания.

Твердые сплавы с алмазным покрытием

— увеличивается стойкость инструмента на 150%;

— снижается коэффициент трения между стружкой и передней поверхностью СМП покрытия (

10 микрон) уменьшает нагрев пластины;

— улучшается качество обрабатываемой поверхности;

Твердые сплавы с покрытием DLC

Низкий коэффициент трения по передней поверхности ( Поделиться

источник