книги / Изучение функциональных свойств многослойных пленок на основе двух- и трехкомпонентных нитридов тугоплавких металлов и их соединений с легкоплавкими металлами и неметаллами

а

б

Рис. 3.30. Упрочненные детали: а) внутреннее кольцо подшипника скольжения высокоэнергетических машин; б) пары трения топливорегулирующей аппаратуры

б

а

в

Рис. 3.31. Упрочненное сверло (а) и зависимость температуры сверла от времени с использованием бронзовой оснастки (б); без использования бронзовой оснастки (в)

101

Об увеличении или снижении стойкости инструмента судят по отношению количества просверленных отверстий упрочненным инструментом к количеству просверленных отверстий серийным инструментом.

Количество испытываемых сверл оговаривалось контрольной службой. Согласно акту испытаний разработанный техпроцесс позволяет увеличить износостойкость мелкоразмерных сверл с TiN пленкой по сравнению с обычными сверлами в 2…3 раза, по сравнению со сверлами после оксидофосфотации в 2 раза.

Промышленные испытания неупрочненных сверл Ø 14 мм и с МП на основе TiN слоев, сформированных МР, показали увеличение их стойкости в 1,3 раза при обработке пластины толщиной 20 мм из стали марки Х18Н9Т.

Большую партию фрез из стали Р6М5 с размерами: 100×3, 125×4, 160×4, изготовленных по ГОСТ 2679–73 в различном состоянии (без термообработки, с различными видами термообработки), упрочняли путем осаждения МП на основеTiхZr1–хN слоев, что позволило выявить эффект от упрочнения фрез. С целью определения экстремальных условий работы технологического инструмента из быстрорежущей стали испытания проводили при различных режимах. Результаты испытаний представлены в табл. 3.20.

Изучали износ неупрочненного инструмента и с МП на основе TiхZr1–хN слоев для установления эффективности упрочнения. В качестве объекта исследования выбрана фреза из быстрорежущей стали Р6М5 с размерами 125×4 мм.

При исследовании режущей кромки фрезы и ее ЗП и ПП выявлены следующие дефекты: высокая шероховатость режущей кромки и дефекты поверхностей вдоль кромки, следы механической обработки на поверхности фрезы и трещина во впадине (в месте скругления) между зубцами фрезы. Длительность работы неупрочненной фрезы до разрушения соответствовала 5 ч. Для выявления причин разрушения фрезы были исследованы режущая часть и ее задняя и передняя поверхности. Установлены следующие дефекты: пластическое деформирование режущей части; износ по ПП и ЗП поверхностям фрезы; высокая шероховатость ее режущей части; наростообразование; абразивно-механический износ и адгезионно-усталостное изнашивание фрезы (рис. 3.32).

Изучен характер износа режущей кромки упрочненной фрезы, отработавшей аналогичное число часов, что и неупрочненная фреза (рис. 3.33). Упрочненная фреза после аналогичной обработки аустенитной стали незначительно изношена. На поверхностях фрезы наблюдаются следы МП, предотвратившие ее износ (рис. 3.33, а, б).

102

Таблица 3 . 2 0

Стойкостные испытания сверл с МП на основе TiхZr1–хN и TiхZr1–хОN слоев на РП ОАО «Азотхимремонт» (обрабатываемый материал 12Х18Н10Т)

	Тип инструмента	Диаметр, мм	Матери-				Время	Классчистоты поверхности	Количество	Стружка/состояние
				Vшпинделя,	Vподачи,	Материал	обра-
			ал инст-						обработок	обработанной
			румента	об/мин	об/мин	слоя	ботки,		(размер, мм)	поверхности
							мин
		8	Р6М5	500	1001	Нет	10	4	max 60	Элементная, рваные
	Сверло									края/поверхностьдета-
										ли сзаусенцами, нали-
										пание стружки
						TiхZr1–хN	30	6	280	Сливная/чистая
		8	Р18	450	1002	Нет	1,7	4	1 отв.	Элементная, рваные
				(норма			2,1	4	10 отв.	края/ поверхностьдета-
	Сверло			250)			>4,2	4	19 отв.	ли сзаусенцами, нали-
										пание стружки
						TiхZr1–хN	0,8	6	1 отв.	Сливная/чистая
							1,0	6	30 отв.
							>4,2	6	40 отв.
		8	Р6М5	500	633	Нет	20	4	max 24 паз.	Элементная, рваные
									(8×4×120)	края/ поверхностьдета-
										ли сзаусенцами, нали-
										пание стружки
						TiхZr1–хОN	360	6	120 паз.	Сливная/чистая
	пальчиковая								(8×4×120)
		20	Р6М5	250	503	Нет	120	4	10 паз.	Элементная, рваные
									(20×10×150)	края/поверхностьдета-
										ли сзаусенцами, нали-
										пание стружки
	Фреза
						TiхZr1–хОN	180	6	15 паз.	Сливная/чистая
									(20×10×150)
		22	Р6М5	250	503	Нет	120	4	10 паз.	Элементная, рваные
									(22×10×150)	края/ поверхностьдета-
										ли сзаусенцами, нали-
										пание стружки
						TiхZr1–хОN	180	6	15 паз.	Сливная/чистая
									(22×10×150)

1Радиально-сверлильный станок модели 2М55 (РП «Азотхимремонт» ОАО «Азот», г. Березники).

2Радиально-сверлильный станок модели 2М52 (ЗАО «Березниковский механический завод»).

3Вертикально-фрезерный станок модели 6Р13.

103

а

б

в

г

д

е

ж з

Рис. 3.32. Износ фрезы без упрочнения: а) выпучивание ЗП; б) выпучивание ЗП и опускание ПП; в) лунка износа на ПП; г) ленточка износа на ЗП; д) разрушение режущей кромки на ПП; е) нарост в виде объемного тела; ж) нарост в виде полосы; з) вырыв быстрорежущей матрицы. ×300

а

б

в

Рис. 3.33. Износ режущей части фрезы, упрочненной с МП на основе TiхZr1–хN слоев: а) вырыв на режущей кромке; в) режущая часть на ПП со следами пленки;

г) режущая часть на ЗП со следами пленки. ×300

104

Обнаружен отделяющийся TiхZr1–хN слой от режущей части фрезы, которая фактически не деформирована (рис. 3.33, б). Малая деформация режущей кромки, режущей части на ЗП (рис. 3.33, в) свидетельствует о том, что МП на основе TiхZr1–хN слоев снижает теплоперенос в быстрорежущую матрицу и таким образом способствует сохранению прочности подложки, необходимой для сопротивления пластической деформации и адгезионному изнашиванию в процессе резания.

На основании проведенного исследования характера изнашивания режущей части упрочненной фрезы можно отметить следующее: износ режущей кромки, ЗП и ПП фрезы минимальный; оставшиеся следы МП свидетельствуют о частичном ее деформировании на поверхностях фрезы; увеличение эксплуатационной стойкости упрочненных фрез в первую очередь связано с повышением трибологических свойств поверхности и уменьшением трения контактных поверхностей, что способствовало уменьшению налипания стружки и образования наростов, улучшению схождения стружки с передней поверхности, снижению осевой силы

икрутящего момента, повышению точности обрабатываемой детали;

МП на основе TiхZr1–хN слоев, благодаря более высокой микротвердости, трещиностойкости, адгезионной прочности с быстрорежущей матрицей

ивысокому уровню сжимающих остаточных напряжений сдерживает процессы образования и развития трещин и сдвигает их начало в область более высоких тепловых и силовых нагрузок; термически стабильный

TiхZr1–хN слой, являясь «третьей средой», препятствует схватыванию трущихся поверхностей и способствует сохранению прочности быстрорежущей матрицы, уменьшению износа поверхности фрезы в 2…5 раз, увеличению скорости резания и срока службы режущего инструмента, в том числе мелкоразмерного.

Наибольший эффект упрочнения фрез (до 3 раз по объему резки) заметен при обработке закаленных высоколегированных сталей. По результатам проведенных работ с упрочненным режущим инструментом, технология упрочнения принята к применению на предприятии. Значительный эффект получен при обработке некоторых видов металла электродов, например, типа Э-10Х20Н70Г2М2Б2В. Проведенные испытания мелкораз-

мерных сверл из быстрорежущей стали с МП на основе TiхZr1–хN слоев показали увеличение стойкости в 1,5…1,8 раза.

Промышленные испытания сверл АГУ 23-90 с твердосплавными пластинками из ВК8 и ВК60М с износо- и коррозионно-стойкой многослойной пленкой на основе Ti1–хAlхN слоев, сформированной в оптимальных

105

	технологических и температурных условиях,
	показали увеличение скорости проходки породы
	в 5 раз (рис. 3.34) [98].
	Комплексно упрочняли режущий инстру-
	мент из быстрорежущей стали Р6М5, предна-
	значенный для обработки углеродистых (Ст3,
	Ст20, Ст45 и др.), коррозионно-стойких (5ХНМ,
	Х18Н9Т, 12Х18Н10Т и др.) и жаропрочной Х910Ю
Рис. 3.34. Сверло АГУ 23-90	сталей. Многокомпонентную Ti-B-Si-N пленку
с МП на основе Ti1–хAlхN	формировали на поверхности режущего инст-
слоев, эксплуатируемое	румента по оптимальной технологии после
в нефтесодержащих средах	предварительной продолжительной его терми-
	ческой обработки. Результаты эксперименталь-

ных испытаний сверл различного диаметра приведены в табл. 3.21. Многокомпонентная МП на основе Ti-B-Si-N слоев позволяет увели-

чить стойкость быстрорежущего инструмента, диаметр и шаг витков стружки при обработке сталей 12Х18Н10Т, ХН10Ю, Ст45 (HRC 40 ед.), Ст35 (без т/о) до 2 раз.

Для оптимизации процесса термической обработки подложки перед осаждением МП на основе Ti-B-Si-N, Ti-B-N и Ti-Si-N слоев продолжительную термическую обработку инструмента в процессе ионной очистки заменяли на кратковременную предварительную ионно-лучевую обработку с использованием АИИ. Результаты испытаний сверл и фрез с МП на ос-

нове Ti-B-Si-N, Ti-B-N и Ti-Si-N слоев приведены в табл. 3.22, 3.23.

Проведенные исследования твердости рабочей поверхности и основы инструмента показали, что у максимально разрушенного сверла14 мм твердость режущей кромки составила 45,3 HRC и у основы 63 HRC; у отрезной фрезы 125 2,5 мм: 59,5 HRC – на режущей кромке и 65 HRC – на основе. Таким образом, причина не столько в полном отсутствии увеличения стойкости инструмента, упрочненного различными по составу и свойствам многокомпонентными многослойными пленками, и его разрушения при контакте с обрабатываемым материалом, сколько в превышении допустимой температуры нагрева материала инструмента при ее очистке и активизации с использованием АИИ.

Оптимальным технологическим вариантом предварительного нагрева инструмента, сопровождающегося упрочняющим эффектом МП на основе Ti-B-Si-N, Ti-B-N и Ti-Si-N слоев и повышением стойкости инструмента от 2 до 4 раз, является использование АИИ.

106

107

Таблица 3 . 2 1

Результаты промышленных испытаний сверл и фрез с МП на основе Ti-B-Si-N слоев, сформированной после предварительной продолжительной обработки

Диаметр, мм/ материал инструмента

1

Сверло Ø3,5/Р6М5

Сверло Ø3,5/Р6М5

Сверло Ø3,5/Р6М5

Сверло Ø3,5/Р6М5

Сверло Ø11,8/Р6М5

Сверло Ø11,8/Р6М5

Марка		Режим обработки1
	Материал			Количество	Классчистоты
обрабатываемого		Vшпинделя,	Vподачи,	отверстий,	поверхности	Примечание
материала/	слоя	об/мин	об/мин	шт.	(качествообработки)
толщина, мм
2				6
	3	4	5		7	8
12Х18Н10Т/20				5
	–	315	0,08		6	Необходимазаточка.
				10		Рваная стружка
	Ti-B-Si-N				4	Можно ещесверлить.
Ст45 HRC 40 ед./15				0		Сливная стружка
	–	160	0,08		–	–
				6
	Ti-B-Si-N				4	Рваная стружка
Ст35 без т/о/15				20
	–	315	0,056		4	Отверстия чище,
				20		без заусениц
	Ti-B-Si-N				4	Отверстия чище,
ХН10Ю/0,8				5		без заусениц
	–	315	0,08		4	Рваные края, грубая
				10		обработка
	Ti-B-Si-N				6	Края чистые, нет заусе-
12Х18Н10Т/20				46		ниц, рваныхкраев
	–	250	0,112		6	Необходимазаточка.
				98		Рваная стружка
	Ti-B-Si-N				4	Можно ещесверлить.
12Х18Н10Т/20				0		Сливная стружка
	–	250	0,8		–	–
				6
	Ti-B-Si-N				6	Рваная стружка

108

							Окончание табл. 3 . 2 1
	2				6
1		3	4	5		7		8
	12Х18Н10Т/15				22
Сверло Ø11,8/Р6М5		–	250	0,2		6		Необходимазаточка.
					45			Рваная стружка
		Ti-B-Si-N				4		Можно ещесверлить.
	ХН10Ю/20				0			Сливная стружка
Сверло Ø11,8/Р6М5		–	250	0,8		–		–
					2
	Ст45 HRC 40 ед./15	Ti-B-Si-N				6		Рваная стружка
					0
Сверло Ø11,8/Р6М5		–	160	0,056		–		–
					2
	12Х18Н10Т/20	Ti-B-Si-N				6		Рваная стружка
					1
Пальчиковая фреза		–	200…250	0,8		6		Поверхность детали
Ø 20, Ø 22/Р6М5								сзаусеницами,
					2			налипание стружки
		Ti-B-Si-N				4		Нет налипания
								стружки, поверхность
								детали чистая
1Радиально-сверлильный станок модели 2М55.

Таблица 3 . 2 2

Результаты промышленных испытаний сверл и фрез с многокомпонентными МП на основе Ti-B-Si-N и Ti-B-N слоев, сформированных после предварительной обработки АИИ

	Диаметр, мм/	Марка обрабатывае-	Материал	Vшпинделя,	Vподачи,	Количество	Примечание
	материал	мого материала/	пленки	об/мин	мм/об	отверстий, шт.
	инструмента	толщина, мм
	1	2	3	4	5	6	7
	Сверло Ø 3,5 / Р6М5	Ст45/15	–	1603	0,08	0	Скользит
	Сверло Ø 3,5 / Р6М5	Ст45/15	Ti-B-Si-N	1603	0,08	0	Скользит
	Сверло Ø 3,5 / HSS	Упрочненная деталь1	–	1603	0,056	0	Скользит
	Сверло Ø 3,5 / HSS	Упрочненная деталь1	Ti-B-Si-N	1603	0,056	0	Скользит
	Сверло Ø 3,5 / Р6М5	Ст35 (без т/о) /15	–	3153	0,056	20	Рваные края, грубая обработка
	Сверло Ø 3,5 / Р6М5	Ст35 (без т/о) /15	Ti-B-Si-N	3153	0,056	20	Края чистые, заусениц нет
	Сверло Ø 3,5 / Р6М5	12Х18Н10Т/20	–	3153	0,08	0	Рваные края, грубая обработка
	Сверло Ø 3,5 / Р6М5	12Х18Н10Т/20	Ti-B-Si-N	3153	0,08	6	Края чистые, заусениц нет
	Сверло Ø 3,5 / HSS	ХН10Ю/0,8	–	3153	0,08	5	Рваные края, грубая обработка
	Сверло Ø 3,5 / HSS	ХН10Ю/0,8	Ti-B-Si-N	3153	0,08	10	Края чистые, заусениц нет
	Сверло Ø11,8 / Р6М5	Ст45/15	–	1603	0,056	0	Скользит
	Сверло Ø11,8 / Р6М5	Ст45/15	Ti-B-Si-N	1603	0,056	0	Скользит
	Сверло Ø11,8 / Р6М5	12Х18Н10Т/20	–	2503	0,112	46	Необходимазаточка
	Сверло Ø11,8 / Р6М5	12Х18Н10Т/20	Ti-B-Si-N	2503	0,112	98	Возможна дальнейшаяобработка
	Сверло Ø11,8 / Р6М5	12Х18Н10Т/20	Ti-B-Si-N	2503	0,8	6	Рваная стружка
	Сверло Ø11,8 / Р6М5	12Х18Н10Т/15	–	2503	0,2	22	Необходимазаточка
	Сверло Ø11,8 / Р6М5	12Х18Н10Т/15	Ti-B-Si-N	2503	0,2	45	Возможна дальнейшаяобработка
	Сверло Ø11,8 / Р6М5	12Х18Н10Т/20	–	4503	0,08	6	Низкая скорость обработки
	Сверло Ø11,8 / Р6М5	12Х18Н10Т/20	Ti-B-Si-N	4503	0,08	12	Возможна дальнейшаяобработка,
				14003			обрабатывает легче
109	Сверло Ø11,8 / Р6М5	ХН10Ю/0,8	Ti-B-Si-N		0,08	0	Сгорело

110

						Окончание табл. 3 . 2 2
1	2	3	4	5	6	7
Фреза Ø 20 / HSS2	12Х18Н10Т/20	–	200…2504	0,2	Увеличение	Заусенцы, налипание стружки
					стойкости	на инструмент
						Обрабатываемая поверхность
Фреза Ø 20 / HSS2	12Х18Н10Т/20	Ti-B-N	200…2504	0,2	в2 раза
						чистая, нет налипания стружки
Фреза Ø 20 / HSS2	12Х18Н10Т/20	–	200…2504	0,2	Увеличение	Заусенцы, налипание стружки
					стойкости	на инструмент
						Обрабатываемая поверхность
Фреза Ø 20 / HSS2	12Х18Н10Т/20	Ti-B-N	200…2504	0,2	в2 раза
						чистая, нет налипания стружки

1Материал пленки ПГ-СР-4 (Cr 16,5 %; B 3,3 %; Si 3,7 %; Fe 5 %; C 0,8 %), сформированной плазменным методом в контролируемой атмосфере.

2Пальчиковые фрезы перед упрочнением были в работе и перезаточены.

3Радиально-сверлильный станок 2М55.

4Вертикально-фрезерный станок 6Р13.