Популярные Нано Технологии

Размещение материала

Для размещения материала в данном разделе заполните пожалуйста эту форму.

Кадры

Фотогалерея

Аналитика

Износостойкие покрытия как двигатель инновационного процесса в технологии инструментальных материалов и современной металлообработке / 20.04.2010

© Максимов Михаил. Изображение coromant.sandvik.com

Источник: Nanonewsnet.ru

В статье дан обзор эволюции технологий нанесения износостойких покрытий для режущего инструмента в приложении к задачам современной металлообработки. Приведена оценка роли отечественных и зарубежных инноваций в этой области. Рассмотрены тенденции развития новых, в том числе и наноструктурированных, типов износостойких покрытий.

История износостойких покрытий

Первые серийные образцы сменных многогранных пластин с износостойкими покрытиями компания Sandvik Cоromant продемонстрировала еще в 1969 году. С тех пор развитие всех инструментальных материалов идет в основном по пути совершенствования методов нанесения покрытий с целью управления их химическим составом, структурой для обеспечения наилучшего сочетания свойств покрытия и основы в различных областях применения.

Покрытия CVD (Сhemical Vapor Deposition)

Первые износостойкие покрытия были получены путем химического процесса осаждения при высоких температурах 950–1050 0C из парогазовой среды. Данный процесс принято сокращенно называть CVD (Сhemical Vapor Deposition). Следует отметить, что данная технология широко применяется не только для нанесения износостойких покрытий на режущем инструменте, но и в других областях техники, где требуется получение слоев покрытия и пленок из кристаллических материалов с высокой чистотой и заданной структурой. Как уже говорилось, процесс СVD для нанесения покрытий на режущий инструмент, был впервые применен компанией Sandvik Coromant (Швеция). Эта фирма в дальнейшем сделала ряд серьезных улучшений первоначальной технологии, как впоследствии в не меньшей мере компании Hertel(Германия), Kennametal Hertel(США), Walter (Германия) и ряд других зарубежных производителей инструмента.

Для Советского Союза и для России технология метода СVD стала доступной благодаря созданию совместных предприятий с двумя первыми фирмами из приведенного списка. Производство Sandvik Coromant, открытое в конце 70х, успешно работает в Москве, по сей день. Однако как на этом, так и на других отечественных инструментальных предприятиях установки CVD используют технологии, основанные в основном на зарубежных разработках.

Для улучшения свойств режущего инструмента наибольший интерес представляют покрытия с кристаллической структурой из химически инертных и тугоплавких соединений, таких как карбид титана, нитрид титана, оксид алюминия.

Первые износостойкие CVD покрытия были однослойными с толщиной порядка 4–7 мкм.

Удивительно, что даже довольно примитивное по сегодняшним меркам однослойное покрытие TiC, применявшееся на первых покрытых сменных неперетачиваемых пластинах, дало выраженный эффект в повышении производительности обработки примерно на 50%. Повышение производительности было достигнуто в основном за счет увеличения скоростей резания. Так за десять лет с 1970 по 1980 год скорости резания при снятии основного припуска при токарной обработке возросли в среднем со 100–120 до 150–200 м/мин.

Появление износостойких покрытий совершило революцию в металлообработке еще и потому, что совпало во времени с двумя другими значительными процессами. Так, благодаря износостойким покрытиям, была поставлена точка в развитии инструмента с напайными пластинами. Конструкции инструментов со сменными неперетачиваемыми пластинами показали значительно более высокий потенциал совершенствования, поскольку износостойкое покрытие легко может быть нанесено только на сменную режущую часть, и тем самым сборные инструменты сразу получили решающее конкурентное преимущество. Также в этот период стала активно развиваться автоматизация металлорежущего оборудования на базе ЧПУ. Инструменты со стабильной геометрией режущей части, восстанавливаемой за счет замены режущей кромки поворотной пластины с высокими эксплуатационными характеристиками, полученными от применения износостойких покрытий, были жизненно необходимы для исключения потребности постоянного контроля оператора за процессом обработки. Увеличение стоимости такого автоматизированного оборудования можно было оправдать только одновременным значительным ростом производительности обработки, и износостойкие покрытия оказались наиболее эффективным и сравнительно недорогим методом достижения этой цели.

Выраженный успех первых износостойких CVD покрытий обеспечил их широкое распространение в промышленности, но одновременно выявились существенные ограничения использования инструмента с покрытиями. Наибольшие проблемы вызваны недостаточной адгезией СVD покрытий, а также их негативным влиянием на механические свойства основы. Уровень этого влияния можно пояснить на простом примере. Если взять твердосплавную пластину из обычного сплава с областью применения ISO P30 (умеренная черновая обработка) и нанести простейшее покрытиe CVD, то полученная комбинация уже будет имеет область применения ISO P10–P20. И даже не смотря на то, что диапазон скорости резания для покрытой пластины будет существенно выше, и соответственно выше производительность, ее прочность уже не позволит использовать инструмент для работы в тяжелых условиях. То есть простейшие СVD смещают область применения твердых сплавов в сторону высоких скоростей резания, ухудшая их прочностные характеристики. Учитывая это, можно было бы сделать вывод, что такие сплавы наилучшим образом будут подходить для чистовой обработки, но тут вступает в силу другое ограничение.

Процесс химического осаждения характеризуется увеличенной скоростью на заострённых участках поверхности изделий. С ростом толщины слоя покрытия адгезия катастрофически снижается. Для инструментальных применений СVD это означает, что толстый и легко откалывающийся слой покрытия ляжет как раз в зоне режущей кромки. С этим можно бороться, значительно округляя режущую кромку перед нанесением покрытия. Минимальная величина округления 20 мкм, типовое значение для современных пластин 35–50 мкм. Подобная подготовка кромки желательна для пластин, предназначенных для черновой и получистовой токарной и фрезерной обработки, но для ряда инструментов кромка должна быть острой. К ним относятся пластины для тонкого финишного точения и расточки, резьбовые и профильные пластины и все типы цельного концевого инструмента. Так для цельных твердосплавных фрез типовая толщина стружки на уровне 20–40 мкм вообще оказывается ниже уровня возможной для СVD остроты кромки, что сравнимо с попыткой аккуратно нарезать колбаску тупой стороной ножа.

Все перечисленные выше недостатки простейших CVD покрытий привели к необходимости серьезных исследований как в области совершенствования технологии CVD, так и в области разработки принципиально иных методов нанесения покрытий. Эволюция СVD покрытий — это более чем 30-летняя история борьбы за устранение противоречия между повышением износостойкости и негативным влиянием на прочность основы, противоречия, заложенного в самой основе высокотемпературного процесса. Тем не менее сейчас можно утверждать, что в результате этой работы большинство проблем было поочередно и весьма оригинально решено, что подтверждается неоспоримым фактом – на протяжении всей истории развития функциональных покрытий режущего инструмента доля метода нанесения СVD и его новых разновидностей превосходит все другие появившиеся позже принципиально иные технологии.

Покрытия PVD (Physical Vapor Deposition) или КИБ (конденсация с ионной бомбардировкой)

Тем не менее во всем мире признается первенство советских, а впоследствии российских разработок в создании второй по объему рынка технологии нанесения покрытий на режущий инструмент, а именно PVD (Phisical Vapor Deposition), или MEVVA (Metal Vapor Vacuum Arc), или КИБ (конденсация с ионной бомбардировкой – термин, применяющийся в русскоязычной литературе). Инструменты с покрытием PVD появились в начале 80х годов прошлого столетия. Идея впервые была реализована в Советском Союзе, но, как это часто бывает, индустриальное применение у зарубежных фирм оказалось более успешным и обширным. Первые покрытия PVD были получены в виде одного слоя нитрида титана TiN толщиной 2–4 мкм. В русскоязычной практике часто встречается название «Булат», закрепившееся как за такими покрытиями с характерным золотистым цветом, так и за установками для их нанесения, получившими определенное распространение на машиностроительных предприятиях СНГ. Популярность нового метода нанесения покрытий определилась в первую очередь тем фактом, что PVD наиболее успешно улучшает свойства тех режущих инструментов, где технология CVD неэффективна или бесполезна. Во-первых, PVD реализуется при принципиально более низких температурах, не превышающих 500 0С, что позволяет покрывать как твердосплавные пластины, так и инструменты из быстрорежущих сталей и даже просто детали машин, работающие в условиях интенсивного трения. Во–вторых, покрытие PVD может быть нанесено на острую кромку и вследствие равномерного характера осаждения не вызывает ее притупления. Таким образом, данный тип покрытий может с успехом использоваться для мелкоразмерных концевых инструментов. В то же время тонкий слой покрытия PVD не может соперничать с более мощными покрытиями СVD, суммарная толщина слоев которых может достигать 22–25 мкм, поэтому по сей день уступает им долю рынка сменных неперетачиваемых пластин.

<< первая < пред. 1 2 3 след. > последняя >>

Авторизация

логин
пароль
Регистрация Забыли пароль?

Реклама нефтегаз

Анонсы событий