Н. К. КРИОНИ, М. Ш. МИГРАНОВ, Л. Ш. ШУСТЕР КОМПОЗИЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ С ПРОГНОЗИРУЕМОЙ АДАПТАЦИЕЙ ПРИ ТРЕНИИ И РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Уфа : УГАТУ, 2009 Т.12, № 2(31). С. 88–92
МАШИНОСТРОЕНИЕ • МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УДК 621.793.1
Н. К. КРИОНИ, М. Ш. МИГРАНОВ, Л. Ш. ШУСТЕР
КОМПОЗИЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ С ПРОГНОЗИРУЕМОЙ АДАПТАЦИЕЙ
ПРИ ТРЕНИИ И РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ
Рассматриваются вопросы повышения износостойкости инструмента за счет использова-
ния композиционных покрытий с прогнозируемой адаптацией при трении и резании ме-
таллов. Износостойкость ; композиционные покрытия ; контактные явления ; тепловые
процессы ; триботехнические характеристики.
Повышение износостойкости режущего ин- материала, с другой – влиять на контактные
струмента в настоящее время может быть дос- процессы, температуру и усилия резания, на-
тигнуто благодаря использованию покрытий из правленность тепловых потоков и термодина-
нитридов титана и алюминия (Ti, Al)N [1, 2]. мическое напряженное состояние режущей
Такие покрытия, как (TiAl)N характеризуются части инструмента. Процесс трения на кон-
уникальными комбинациями свойств: высокой тактных площадках передней и задней поверх-
твердостью при повышенных температурах в ностей во многом определяется поверхност-
зоне контакта вместе с термической и химиче- ными свойствами пары трения «инструмент-
ской устойчивостью и низкой теплопроводно- деталь». Внешнее трение согласно молекуляр-
стью. Важным преимуществом (TiAl)N покры- но-механической теории имеет двойственную
тий является их склонность к окислению и к природу [2], обусловленную объемным де-
образованию относительно устойчивых по- формированием материала и преодолением
верхностных оксидных пленок. Дальнейшее межатомных и межмолекулярных связей, воз-
повышение износостойкости (TiAl)N покрытий никающих между участками трущихся по-
при резании можно получить путем доведения верхностей. Согласно [3] наиболее простым и
измельчения зерна до уровня наношкалы (раз- надежным способом оценки склонности к
мер зерна менее 100 нм) [2]. Это можно осуще- схватыванию инструментального и обрабаты-
ствить легированием (TiAl)N покрытий на ин- ваемого материалов является метод определе-
струментальный материал с помощью фильтра- ния таких триботехнических параметров, как
ции магнитной дугой. прочность адгезионных связей на срез (τnn) при
наличии пластических деформаций на контак-
ОСОБЕННОСТИ те, предельные нормальные напряжения (Prn) и
КОНТАКТНЫХ ЯВЛЕНИЙ адгезионная (молекулярная) составляющая
ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ коэффициента трения (τnn/Prn).
КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ Нанесенные на инструментальные мате-
Направленное изменение свойств покры- риалы покрытия позволяют значительно сни-
тий путем варьирования их состава, структуры зить силу трения и особенно это характерно
и строения позволяет существенно влиять на для наиболее термодинамически неустойчи-
контактные характеристики процесса резания. вых покрытий в виде оксидов некоторых ме-
Известно [1], что химический состав, физико- таллов, а также для покрытий, склонных к
механические и теплофизические свойства по- диссоциации при температурах, соответст-
крытий могут значительно отличаться от соот- вующих максимальным температурам резания.
ветствующих параметров инструментального С повышением температуры увеличивается
и обрабатываемого материалов, и, как следст- частота собственных колебаний валентных
вие, покрытие следует рассматривать как атомов, растет пластичность материала и сни-
своеобразную "третью среду". Причем эта сре- жается его сопротивляемость пластическому
да, с одной стороны, может заметно изменять деформированию. Таким образом, даже при
поверхностные свойства инструментального постоянном нормальном напряжении увеличи-
ваются количество активных центров и пло-
щадь фактического контакта. Кроме того, по-
Контактная информация: (347)272-43-81 вышение температуры способствует разруше-Н . К . К р и о н и , М . Ш . М и г р а н о в , Л . Ш . Ш у с т е р • Композиционные покрытия с прогнозируемой… 89
нию поверхностных пленок и образованию исследована износостойкость четырехгранных
химически чистых, «ювенильных», поверхно- быстросменных пластинок на основе ТТ8К6 с
стей. Последнее способствует проявлению покрытиями (TiAl)N, определены коэффициент
схватывания и увеличению сил трения. Однако трения на поверхности резания, коэффициент
в результате дальнейшего повышения темпе- усадки стружки, угол условной плоскости сдви-
ратуры происходит разупрочнение «узлов» га обрабатываемого материала и измерены со-
схватывания и интенсивное окисление тру- ставляющие усилий резания с помощью дина-
щихся поверхностей. Эти обстоятельства за- мометра УДМ-600.
частую приводят к снижению сил трения. Микротвердость покрытий (TiAl)N изме-
Цель данной работы – исследовать процес- рялась с помощью контрольно-измерительного
сы трения и износа режущих инструментов с прибора для определения наноуглублений
покрытиями (TiAl)N в условиях высокоскоро- (выемок) при приложенной нагрузке в 200 мН.
стной обработки и определить влияние на эти Толщина покрытия была измерена с помощью
процессы нанокристаллической структуры в устройства с шаровым кратером с точностью
покрытиях, формируемой при магнитно- до 0,1 мкм. Адгезия покрытия к подложке оп-
дуговой фильтрации (МДФ). ределялась с помощью адгезиомера [3].
Проведенные исследования свидетельст-
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ вуют, что два рассматриваемых покрытия
ИССЛЕДОВАНИЯ близки по стехиометрическому составу, а от-
Были исследованы два типа покрытий: ношение Al к Ti в обычном (TiAl)N покрытии
обычное монослойное покрытие – (TiAl)N и ниже (0,88) по сравнению с МДФ (1,0). Основ-
усовершенствованное покрытие – (TiAl)N. Усо- ная особенность фильтрованных покрытий –
вершенствованные покрытия наносились при это ультрамелкозернистая структура. Размеры
фильтрации с помощью МДФ на установке типа зерна составляют примерно 60–80 нм вместо
ННВ-6.6-11. Такая схема позволяет воздейство- 100–120 нм для обычных (TiAl)N.
вать на физико-химические и плазмо- Износостойкость покрытий в значительной
химические процессы при нанесении термостой- степени зависит от используемых режимов реза-
ких покрытий за счет увеличения скорости ио- ния. При умеренных скоростях резания
низации как металлов, так и химически актив- (250 м/мин) износостойкость инструмента с
ных газов. При этом удается практически ис- обычным покрытием выше фильтрованного,
ключить образование капельных фаз, а также вследствие благоприятного сочетания твердости
благодаря высокой скорости плазменной иони- и адгезии с подложкой (рис. 1, а). Но износо-
зации в камере установки и относительно низкой стойкость такого покрытия значительно умень-
скорости нанесения покрытия, температура вна- шается при скоростях резания выше 350 м/мин.
чале кристаллизации низкая. Ионная бомбарди- Во время высокоскоростной обработки преобла-
ровка с низкой энергией растущих пленок может дает окислительный износ инструмента [5, 6], и
ограничить рост зерен и способствовать образо- устойчивость образующихся оксидных пленок с
ванию нанокристаллического слоя [4]. покрытием определяет износостойкость режу-
Поверхностная морфология и микрострукту- щего инструмента. Вот почему фильтрованные
ра покрытий была исследована с помощью про- покрытия с большим сопротивлением окисле-
свечивающей и сканирующей электронной мик- нию имеют и более высокую износостойкость
роскопии на установке JEOL JEM-201. при высоких скоростях резания в диапазоне
Химический состав вторичных структур, 450 м/мин (рис. 1, а). С другой стороны, улуч-
возникающих на поверхности режущего инст- шение в 1,5 раза сопротивления окислению
румента при трении в процессе резания, иссле- фильтрованных покрытий не может само по себе
довался с помощью вторично-ионной масс- объяснить увеличение износостойкости инстру-
спектрометрии (ВИМС), оже-электронной мента почти в 4 раза по сравнению с обычным
спектроскопии (ОЭС – «JXA-8400»; «Jeol» покрытием (рис. 1, а). Для объяснения механиз-
JEM-201 OE; спектрометр «Escalab – MK2», ма этого явления были проведены дополнитель-
оборудованный электронным прожектором ные исследования поверхностей режущего инст-
LEG200, ионным прожектором AG6 и анализа- румента и обрабатываемой детали.
тором ионной массы SQ300 квадроугольного Интенсивное трибоокисление поверхности
типа; «Cameca» модели МS-46). режущего инструмента происходит во время
Износ покрытий исследовался при обработ- высокоскоростной обработки. На рис. 2 приве-
ке резанием стали 40Х. Обработка велась как с дены оже-электронные спектры для изношен-
охлаждающей жидкостью, так и без нее. Была ных инструментов с обычными (а) и фильтро-
ванными (б) покрытиями.90 МАШИНОСТРОЕНИЕ • МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
а
а
б
Рис. 1. Результаты стойкостных исследований
при точении стали 40Х резцами ТТ8К6 с различ-
ными покрытиями (S = 0,11 мм/об; t = 0,5 мм): а –
влияние скорости резания на путь резания (при hз =
= 0,3 мм); б – влияние пути резания на износ инст-
румента по задней поверхности (при V = 450 м/мин)
б
Окисление контактных поверхностей оче-
видно, о чем свидетельствует наличие большо- Рис. 2. Оже-электронные спектры поверхно-
го количества кислорода в обоих спектрах. стей изношенных пластинок с покрытиями (TiAl)N
Интенсивные ионные пики соответствуют зо- (V = 450 м/мин): а – обычное покрытие
нам прилипания материала детали. Линия Ti (l = = 2280 м); б – фильтрованное покрытие
значительно растянута (рис. 2, б) в этой зоне; (l = 8900 м)
это результат окислительного процесса. По-
вышенное количество окиси алюминия на- Образование пленок оксида алюминия на
блюдается на спектре фильтрованных покры- поверхности резца значительно изменяет теп-
тий, который показан как сдвиг алюминиевой ловые потоки и отвод тепла в стружку. Усло-
линии к зоне более низкой энергии (60 эВ). На вия стружкообразования (коэффициент усадки
рис. 3, а, б представлен ряд спектров положи- стружки и угол условной плоскости сдвига), а
тельных вторичных ионов как для обычных, также коэффициент трения по передней по-
так и фильтрованных (TiAl)N покрытий. На верхности режущего инструмента, измеренные
рис. 3, в, г показаны спектры отрицательных в процессе резания (табл. 1), также показыва-
вторичных ионов для обоих покрытий. На ют значительное улучшение триботехнических
обоих положительных вторичных спектрах параметров для инструментов с фильтрован-
интенсивность TiO линии высокая и это про- ными покрытиями.
исходит вследствие интенсивного трибоокис- Два основных улучшения в характеристиках
ления, которое образует рутилоподобные поверхностей покрытия можно приписать методу
пленки. Но некоторое количество окиси алю- магнитной фильтрации. Первое улучшение связа-
миния образуется только на поверхности но с полной или частичной фильтрацией фазы
фильтрованных покрытий и этот эффект мож- «капелька». В результате образуется поверхность
но наблюдать на спектре отрицательных вто- с меньшей шероховатостью, которая влияет на
ричных ионов (рис. 3, в). уменьшение адгезии (сцепляемости) обрабаты-Н . К . К р и о н и , М . Ш . М и г р а н о в , Л . Ш . Ш у с т е р • Композиционные покрытия с прогнозируемой… 91
ваемого материала с инструментальной поверхно- покрытий вследствие их нанокристаллической
стью. структуры. Нанокристалличность покрытия
способствует образованию на поверхности за-
щитного слоя из окиси алюминия [2]. Покрытия
с мелкой зернистой структурой имеют боль-
шую протяженность границ зерен. В связи с
этим необходимы большие пробеги атомов для
внешней диффузии алюминия Al и внутренней
диффузии кислорода. Это способствует образо-
ванию защитных алюминиевых окисных пле-
нок и приводит к увеличению сопротивления
поверхности окислению, что в конечном счете
улучшает износостойкость инструмента во
время высокоскоростного резания.
б Все это свидетельствует о том, что трибо-
окисление является важным и благоприятным
процессом для условий высокоскоростной об-
а
работки и происходит оно далеко от равновес-
ного состояния. Это выдвигает на первый план
особенности этого процесса по сравнению с
обычным изотермическим окислением. Трибо-
окисление (TiAl)N покрытия имеет своим ре-
г
зультатом структурную адаптацию поверхно-
стных слоев к трудным условиям высокоско-
ростной обработки. Такая адаптация представ-
ляет собой процесс, основывающийся на явле-
в
нии самоорганизации [3], в результате которо-
Рис. 3. Спектры положительных (а, б) и отрица- го происходит повышение износостойкости
тельных (в, г) вторичных ионов поверхности изно- инструмента. Такой способностью обладают
шенных пластинок с покрытиями (TiAl)N (V = фильтрованные покрытия, которые проявляют
= 450 м/мин): а, б – обычное покрытие; в, г – фильт- свои адаптивные характеристики в условиях
рованное покрытие высокоскоростной обработки. Кислородосо-
держащие соединения на металлической осно-
Триботехнические параметры (TiAl)N ве, которые образуются во время резания, мо-
покрытий гут действовать как экран, который защищает
Триботехнические поверхность инструмента.
параметры Основываясь на данных, представленных
на рис. 1–3, можно заключить, что оксидные
Коэффициент
Коэффициент
поверхности
трения на
передней
пленки, которые образуются на поверхности
стружки
Покрытия
усадки
сдвига
Угол
инструмента с (TiAl)N покрытиями, являются
смесью из окиси алюминия и рутила, но толь-
ко слой из оксида алюминия является защит-
ным [6]. Во время высокоскоростной обработ-
Обычное 1,35 40,58 0,986
Фильтрован- 1,19 44,49 0,857
ки пленки из окиси алюминия, образующиеся
ное на поверхности, ограничивают взаимодействие
нижележащих слоев покрытия с материалом
Второе улучшение связано с уменьшением детали и на инструменте образуются два типа
сил трения и износа фильтрованных покрытий. защитных кислородосодержащих пленок на
Уменьшение сил трения важно для условий основе алюминия: аморфноподобные и кри-
низкоскоростной обработки в области образо- сталлические. Эти пленки окиси алюминия
вания нароста. Но для условий высокоскорост- способствуют уменьшению износа, так как из-
ной обработки, когда окислительный износ до- за низкой теплопроводности они препятствуют
минирует, способность покрытий образовывать интенсивному отводу тепла, выработанному во
защитные поверхностные пленки во время тре- время резания в тело режущего инструмента и
ния становятся особенно важными. Эта способ- значительному улучшению триботехнических
ность повышается для (TiAl)N фильтрованных параметров (таблица). Коэффициент трения на
передней поверхности резца для фильтрован-92 МАШИНОСТРОЕНИЕ • МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ных покрытий ниже (0,857) по сравнению с 5. Польцер, Г. Внешнее трение твердых тел,
обычным покрытием (0,986). Характеристики диссипативные структуры и самоорганизация /
стружки также показывают ту же самую тен- Г. Польцер, В. Эбиленг, А. Фирковский // Трение и
денцию: коэффициент усадки стружки ниже, а износ. 1988. Т.9, №1. – С. 12.
6. Шустер, Л. Ш. Покрытия и смазка в высо-
угол условной плоскости сдвига выше для
котемпературных подвижных сопряжениях и ме-
фильтрованного покрытия по сравнению с таллообработке / Л. Ш. Шустер, Н. К. Криони,
обычными (TiAl)N покрытиями (таблица). В В. Ю. Шолом, М. Ш. Мигранов. М. : Машино-
результате благоприятных изменений в усло- строение, 2008. 318 с.
виях трения, интенсивность изнашивания рез-
цов с фильтрованными покрытиями уменьша-
ется (рис. 1, б) и, таким образом, значительно
повышает износостойкость инструмента. ОБ АВТОРАХ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Криони Николай Кон-
На основании проведенных исследований стантинович, проф., про-
рект. УГАТУ. Дипл. инж-
можно очертить некоторые общие тенденции,
мех. по техн. машиностр.
связанные с будущим развитием (TiAl)N по- (УАИ, 1971). Д-р техн. наук
крытий для использования при высокоскоро- по трению и износу в ма-
стной обработке. Для того чтобы повысить шинах (РГУПиГ им. И. М.
износостойкость и приспособляемость этих Губкина, 1985). Иссл. в обл.
покрытий, необходимо образование в рабочей трибологии контактн. взаи-
зоне режущего инструмента обоих типов за- модействия, методики и
щитных пленок из оксида алюминия (кристал- организации учеб. процесса
лической трибокерамической и аморфнопо- в высш. школе.
добной) во время высокоскоростной обработ-
ки. Этого можно достигнуть, например, путем
оптимизации химического состава покрытия, а Мигранов Марс Шари-
также преобразования его структуры в уровень фуллович, проф. каф.
наношкалы, в частности, вследствие примене- ОКМиМ. Дипл. инж.-мех.
(1987, УАИ). Д-р техн. наук
ния МДФ.
по процессам мех. и физ.-
техн. обработки (РУДН,
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 2007). Иссл. в обл. износо-
1. Верещака, А. С. Работоспособность режу- стойкости режущ. инстр. и
щего инструмента с износостойкими покрытиями / повышения эффективности
А. С. Верещака. М. : Машиностроение, 1993. 336 с. лезвийн. обр. резанием.
2. Fox-Rabinovich, G.S. Characteristic features
of alloying HSS – based deformed compound powder
materials with consideration for tool self – organization
at cutting / G. S. Fox-Rabinovich // Wear. 206. 1997. р.
214. Шустер Лева Шмульевич,
3. Шустер, Л. Ш. Прибор для исследования проф. каф. ОКМиМ. Дипл.
адгезионного взаимодействия / Л. Ш. Шустер, инж.-мех. (УАИ, 1962). Д-р
М. Ш. Мигранов. Патент на полезную модель № техн. наук по трению и из-
34249 от 24.06.2003 г. носу в машинах (РГУНиГ
4. Бершадский, Л. И. Самоорганизация и на- им. И. М. Губкина, 1989).
дежность трибосистем / Л. И. Бершадский. Киев : Иссл. в обл. высокотемп.
Знание, 1981. 35 с. трибологии.Вы также можете почитать
