Сравнительные испытания режущих свойств нитридной керамики с многофункциональными покрытиями - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Сравнительные характеристики 1 49.72kb.
Год (факт) Процент охвата населения многофункциональными центрами... 1 51.25kb.
Алюмомагнезиальное техногенное сырье в производстве строительной... 1 84.23kb.
Виды керамики 1 109.95kb.
Технология Керамические изделия подразделяют на два больших класса... 1 27.07kb.
Изучение электропроводности керамики на основе ZnO, допированной... 1 29.63kb.
1. Основные понятия тв 3 461.05kb.
Классификация структурных свойств онтологий 1 190.27kb.
Экспериментальные исследования диэлектрических свойств материалов 1 92.64kb.
Профессиональный стандарт 4 755.67kb.
Программа вступительного испытания по дисциплине «Обществознание» 1 217.79kb.
«Изучение особенностей формирования боридов кобальта в реакционной... 1 49.5kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Сравнительные испытания режущих свойств нитридной керамики с многофункциональными - страница №1/1

УДК.621.9.025:621.762
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ НИТРИДНОЙ КЕРАМИКИ С МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ
В.С. Антонюк, к.т.н.; А.В. Рутковский, к.т.н.

(Киев, Украина)
Современные высокопроизводительные методы механической обработки деталей с образованием стружки требуют применения надежных режущих инструментов с высокой износостойкостью. Этим требованиям в достаточной мере отвечает инструментальный материал на основе нитрида кремния, обладающий стабильностью физико-механических и режущих свойств в широком диапазоне температур.

Керамический инструментальный материал на основе Si3N4 - силинит-Р обладает высокой твердостью, износостойкостью, прочностью, теплостойкостью, вязкостью разрушения, относительно высокой химической стабильностью [1].

Основной особенностью режущей керамики является отсутствие связующей фазы, что значительно снижает степень ее разупрочнения при нагреве в процессе изнашивания, повышает пластическую прочность, что предопределяет возможность применения высоких скоростей резания.

Отсутствие связующей фазы оказывает отрицательное влияние на эксплуатационные свойства керамического инструмента, работающего в сложных условиях механических ударных нагрузок, тепловых и химических воздействий. В частности, снижаются хрупкая прочность, ударная вязкость, трещиностойкость. Это оказывает сильное влияние на характер изнашивания инструмента керамического материала [2].

В этом случае следует использовать методы дополнительной обработки керамического инструмента с целью ликвидации или «залечивания» поверхностных дефектов.

Одним из методов повышения надежности инструмента и расширения его области применения является нанесение на рабочие поверхности керамического материала износостойких покрытий. Широкое использование инструмента с покрытиями обусловлено его высокой работоспособностью и возможностью интенсифицировать процесс резания при неизменном ресурсе стойкости инструмента.

Для нанесения различных слоев на керамическую пластинку используют способы физического осаждения из газовой фазы. Применение тонкопленочных покрытий, полученных на основе вакуум-плазменных (PVD) технологий, все более возрастает. Большое значение приобретают вопросы прочности покрытий. Потеря работоспособности покрытия может происходить в результате их отслоения от основы (нарушение адгезионной прочности) или разрушения самого покрытия (когезионное растрескивание). Таким образом, особенностью композиции основа-покрытие является наличие остаточных напряжений, которые являются носителями концентраторов напряжений. Уровень знак и характер распределения остаточных напряжений определяет его износостойкость и влияет на химические и механические свойства покрытия.

Среди огромного количества применяемых покрытий особое место занимают многофункциональные покрытия. Одной из разновидностей этого вида покрытий являются дискретные композиционные покрытия (ДКП), отличительная особенность которых - возможность локальной модификации основы материала и формирования состава, структуры и физико-механических свойств приповерхностного слоя. Это позволяет исключить отслаивание покрытия, резко повысить его износостойкость, так как дискретная структура покрытия ограничивает его локальное перенапряжение, которое является причиной разрушения традиционных покрытий [3].

Преимуществом ДКП является отсутствие когезионного растрескивания и адгезионного отслаивания за счет высокой адгезионной и когезионной стойкости каждого дискретного участка вследствие ограничения нормальных нагрузок в покрытии () и касательных () в плоскости адгезионного контакта покрытия с основой Отсутствие локального перенапряжения под упрочненными участками выполняется при условии [4].

Конструкция ДКП характеризуется сплошностью покрытия - отношением площади, занятой наполнителем, ко всей общей площади дискретного многофункционального покрытия:



,

где - сплошность; Sn - площадь покрытия; So - общая площадь покрытия. Взаимосвязь сплошности покрытия и микротвердости дискретных участков определяем из условия [5]:



,

где - микротвердость основного материала; - микротвердость дискретных участков; п - количество составляющих компонентов покрытия.

Равномерность распределения включений по объему (поверхности), определяет напряженность в покрытии. Дальнейший расчет конструкции дискретного покрытия заключается в определении формы и размеров участков включений, расстояния между ними (шаг включений).

Зависимость напряжений, возникающих в поверхностном слое покрытия, от физических свойств компонентов включения и от их состава определяем [6]:



  • для максимальных напряжений от растяжения (сжатия)

;

  • для максимальных напряжений от сдвига

,

где - суммарное напряжения от сжатия по межфазным границам включение-матрица; суммарное напряжения от сдвига по межфазным границам включение-матрица; Vm, Vв - относительное объемное содержание матрицы и включения соответственно; Ев, Еm - модуль Юнга; Gв, Gm - модуль сдвига; vm, vв - коэффициенты Пуассона; в, m - индексы, которые определяют включение и матрицу соответственно; ; ; и - коэффициенты.

Зная составляющие компоненты покрытия и сплошность, при которой наименьшая концентрация напряжений, можно определить конструкцию покрытия, которая определяется как способом нанесения, так и условиями эксплуатации.

Например, для ДКП, в котором включения имеют прямоугольную форму (рис.1) и известна сплошность покрытия из зависимости , можно определить шаг а и размер b включений.








1

2


Рисунок 1 - Конструкция поверхности дискретного покрытия:

1 - схема покрытия, где а - шаг; b -размер стороны;

L - расстояние между включениями;

2 - конструкция фрагмента дискретного покрытия CrN(CrZr)N

на режущей пластине из силинита-Р
Исследования режущих свойств нитридной керамики - силинит-Р –проводили, сравнивая пластины с двухслойными сплошным и дискретным многокомпонентным покрытиями с пластинами без покрытия.

Нанесение сплошного покрытия осуществляли на установке вакуум-плазменного напыления ННВ-6,6 И1. Покрытие формировали из двух катодов, расположенных друг против друга.

Напыление производили послойно. Промежуточный слой CrN обеспечивал подслой, разгружающий напряжения, возникающие в покрытии в результате нанесения.

Второй слой для сплошного покрытия формировали из двух катодов Сг и Zr, распыляемых одновременно в среде азота (N), в результате чего происходила плазменно-химическая реакция соединения (CrZr)N.

Формирование второго слоя для дискретного покрытия отличалось тем, что для нанесения дискретных участков использовалась маска. В качестве маски использовали экран, состоящий из сетки с размером 0,18х0,18 мм «в свету» из стали 12Х18Н10Т.

Внутренний слой покрытия, контактирующий с материалом основы, выполнен из нитрида хрома CrN и предназначен для повышения адгезионной прочности. Внешний слой (CrZr)N содержит легирующие добавки Zr в общем количестве 0,1-15 мас.% и имеет толщину до 8 мкм, так как с дальнейшим увеличением ее резко возрастает вероятность хрупкого разрушения покрытия. Слой отличается низкой хрупкостью и, кроме того, является активным диффузантом образующих его элементов.

Полученная система покрытия обладает высокой твердостью (микротвердость 18 ГПа) и износостойкостью, а дискретность снижает напряжения в поверхностном слое, что исключает когезионное расслоение в условиях высоких контактных нагрузок.

В процессе резания наиболее нагруженные режущие кромки инструмента могут нагреваться до температуры и терять режущие свойства. Наружный слой покрытия из нитрида циркония выполняет при этом роль диффузионного барьера между внутренним слоем и обрабатываемым материалом.

Толщина формируемого сплошного покрытия (CrZr)N составляла 2, 8 и 10 мкм. Для дискретного покрытия толщина равнялась 8 мкм, а оптимальная сплошность составляла =44,6%, при этом размеры включений такие: а=0,34 мм; b=0,18 мм; L=0,16 мм.

В качестве эталонного резца рассматривался резец без покрытия. Геометрические параметры пластин: передний угол , задний угол , фаска 0,2х200.

Износостойкость керамических резцов с покрытиями изучалась в реальных условиях. Эксперименты проводили на токарно-винторезном станке 1К62 путем непрерывного продольного точения стали ШХ15 (HRC 58-62).

Следует отметить, что традиционно сталь ШХ15 обрабатывается методом шлифования, при котором имеет место шаржирование поверхности частицами абразива с возникновением значительных остаточных напряжений растяжения.

Применение точения таких сталей существенно улучшает условия обработки и качество обрабатываемых поверхностей за счет ликвидации прожогов и трещин, возникающих вследствие интенсивного тепловыделения при шлифовании, поэтому общая тенденция механической обработки высокотвердых материалов заключается в замене традиционного шлифования на чистовое точение.

В процессе точения кромка режущего инструмента по ее передней поверхности может нагреваться до очень высоких температур. Это приводит к появлению износа диффузионного типа. На задней поверхности инструмента температура значительно ниже, так что там происходит главным образом износ абразивного типа.

В результате различной природы износа инструмента применяемые сплошные покрытия режущей части не всегда могут выполнять свои защитные функции из-за растрескивания или отслоения покрытий. Отслаивание приводит к ускорению износа режущего инструмента, в особенности износа по задней поверхности. Отслаивание может появляться в результате низкого качества адгезии покрытия или вызваться смачиванием или привариванием материала обрабатываемой детали, проникающим в режущую кромку и вызывающим последующее отслоение покрытия. Это может происходить когда прочность сцепления образовавшейся стружки с материалом покрытия достаточно велика.

Исследование эффективности покрытий при точении стали ШХ15 осуществляли при таком режиме: скорость резания V=60-146 м/мин, подача S=0,1-0,3 мм/об и глубина резания t=0,25 мм. Критерием износа являлось время до образования ленты износа (hз, мм) по главной задней грани резца, максимальное допустимое значение которой было принято равным 0,4 мм.

В ходе испытаний было установлено, что сплошное защитное покрытие обеспечивает увеличение износостойкости режущего инструмента в 1,7 раза, a дискретное - в 2,2 раза по сравнению с инструментом без покрытия (рис. 2). При этом особый интерес представляет резец с дискретным покрытием, износ которого незначительно увеличивается при длительном времени точения. Так, например, для непокрытого резца увеличение износа на 0,1 мм достигается за 12 мин непрерывного точения, в то время как для инструмента с дискретным покрытием -за 35 минут.

Для сплошных покрытий наблюдается неоднозначная картина износа. Наиболее стойким является резец с толщиной покрытия 2 мкм. Увеличение износа в этом случае было поступательным. Резцы с покрытиями толщиной 8 и 10 мкм оказались менее стойкими к истиранию.




Рисунок 2 - Зависимость величины изнашивания режущей пластины силинита-Р при обработке стали ШХ15 (б/п - пластина без покрытия, с/п - сплошное и д/п - дискретные покрытия из CrN(CrZr)N). Режимы резания: скорость резания V=75 м/мин; подача S=0,1 мм/об; глубина резания t=0,25 мм. Критерий изнашивания по задней поверхности h=0,4 мм
Как показали исследования, термомеханические условия работы инструмента с покрытием более благоприятны, что и предопределяет его лучшую сопротивляемость износу. Однако относительно хрупкое покрытие плохо сопротивляется высоким удельным давлениям, что приводит к разрушению покрытия на контактных площадках инструмента. Частично разрушенное покрытие продолжает сдерживать развитие фронта разрушения по контактным площадкам. Так, при точении стали ШХ15 пластиной без покрытия ее площадь зоны износа приблизительно в два раза больше площади износа керамической пластины с покрытием. В дальнейшем по мере роста очагов износа все больше нивелируется разница между инструментом с покрытием и без покрытия (рис. 3).

c:\мои документы\ант рис1.pcx

Рисунок 3 - Износ режущей пластины силинита-Р при обработке стали ШХ15. Режимы резания: скорость резания V=75 м/мин; подача S=0,1 мм/об и глубина резания t=0,25 мм, критерий износа по задней поверхности h=0,4 мм
С увеличением скорости резания интенсивность износа возрастает для режущих пластин как со сплошным покрытием, так и с дискретным. Однако значение износа в случае с дискретным покрытием ниже, чем для инструмента со сплошным покрытием.

С увеличением подачи от 0,15 до 0,3 мм/об при постоянных скорости и глубине резания наблюдается та же тенденция.

Таким образом, как с увеличением скорости резания, так и с увеличением подачи резец с дискретным покрытием CrN/(Cr, Zr)N при обработке стали ШХ15 показал более высокую работоспособность.

Несмотря на то, что значения износа дискретных и сплошных покрытий близки, с увеличением времени резания износ инструментов со сплошными покрытиями происходит более интенсивно. Так, кинетика износа режущей керамики со сплошным покрытием совпадает с износом дискретного покрытия, однако износ последнего в диапазоне скоростей 60-146 м/мин примерно на 30% меньше, что и обуславливает более длительную дальнейшую работу инструмента. Такая же тенденция наблюдается и в зависимости износа резцов от величины подачи.

Применение разработанных многофункциональных износостойких покрытий двухслойной системы CrN/(Cr,Zr)N на режущей нитридной керамике при точении стали ШХ15 позволяет повысить износостойкость инструмента в 1,7-2,2 раза, при этом работоспособность керамических режущих пластин с дискретными покрытиями более высокая по сравнению со сплошными.

SUMMARY
Different factors affecting the character of the wear of SiC and SijN4 base ceramic are analyzed. A conclusion is made on a hight wear resistance of ceramics catting slabs silinit-P coating with CrN(CrZr)N. In cutting of steel ШХ15 most effective slabs of silinit-P with discrete multifunction coating.

СПИСОК ЛитературЫ
1.Керамические инструментальные материалы / Под ред. Г.Г. Гнесина. - Киев: Техника, 1991.-390 с.

2.Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер B.C. Резание материалов. Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. - М.: Изд-во МГУ им. Н.Э.Баумана, 2001. - 448 с.: ил.

3.Ляшенко Б.А., Антонюк B.C. Исследование поверхностных структур покрытий в условиях трибофатического нагружения // Вісник Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут»: Машинобудування. - К.: НТУУ «КПІ»., 2001. - Вип.40. - С. 85-91.

4.Ляшенко Б.А., Кузема Ю.А., Дигам М.С., Цыгулев О.В. Упрочнение поверхности металлов покрытиями дискретной структуры с повышенной адгезионной и когезионной стойкостью. - К., 1984. - 57 с.: Препр. /АН УССР. Ин-т проблем прочности; 84-88.

5.Волкогон В.М., Карюк Г.Г., Антонюк B.C. Эффективность и перспективы применения функциональных покрытий в технике // Bicті Академії інженерних наук України. Машинобудування та прогресивні технології. -2000.-№4.-С.4-10.

6.Лучка М.В. Покриття градієнтного типу поверхні трибоконтакту ковзанням. - К.: НАН Укр. Ін-т проблем матеріалознавства, 1998. – 98 с.



Поступила в редколлегию 28 января 2003г.




Мир полон безумцев; если не хочешь на них смотреть, запрись у себя дома и разбей зеркало. Французское изречение
ещё >>