Точение закаленных сталей инструментом с поликристаллическим кубическим нитридом бора с защитным покрытием

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «АБРАЗИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ»

Клименко С. А., д-р техн. наук, проф.,
Мельнийчук Ю. А., ст. науч. сотр., канд. техн. наук,
Манохин А. С., канд. техн. наук,
Клименко С. Ан., канд. техн. наук,
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины
Береснев В. М., д-р техн. наук, проф.
Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина МОН Украины

Институтом сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины совместно с Харьковским национальным университетом им. В. Н. Каразина МОН Украины разработаны покрытия для инструмента с поликристаллическим кубическим нитридом бора (ПКНБ), использование которых позволяет повысить стойкость инструмента при точении закаленных сталей (60–62HRC) в среднем в 1,2–1,5 раза по сравнению с аналогичным инструментом без покрытия

Поликристаллические сверхтвердые композиты на основе кубического нитрида бора (ПКНБ) являются одними из наиболее перспективных материалов инструментального назначения. Такие композиты дают возможность режущему инструменту надежно работать в течение длительного времени в условиях высоких нагрузок и температур, а также позволяют обеспечить получение высокой точности геометрических параметров и формирование требуемого состояния поверхностного слоя обработанных деталей.

Одним из эффективных путей повышения стойкости инструмента из ПКНБ при обработке закаленных сталей является использование защитных покрытий на его рабочих поверхностях. В ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины совместно с Харьковским национальным университетом им. В. Н. Каразина МОН Украины создана гамма таких защитных покрытий на основе соединений TiAlN, MoN, CrN. Выбор указанных покрытий связан с их высокой прочностью, обусловленной особенностями структуры, затрудняющими развитие трещин в массиве покрытия, а также высокой термостойкостью композиций.

Для повышения эксплуатационных свойств инструментов использовались два покрытия: многослойное, состоящее из чередующихся слоев MoN и CrN (толщина каждого слоя около 10 нм), общая толщина ~ 4,8 мкм, твердость — HV0,05 = 38 ГПа; многокомпонентное (TiAlSiY)N, имеющее однофазную структуру с ГЦК атомной решеткой, легированной Y, толщина ~ 5 мкм, твердость — HV0,05 = 49,5 ГПа.

Исследования проводились в условиях точения заготовки из закаленной стали ХВГ (60–62 HRC). Режимы резания: t = 0,15 мм; S = 0,08 мм/об.; v = 75 и 85 м/мин.; геометрические параметры инструмента: γ = –10°; α = 10°. Применялись режущие пластины RNMN 070300.

На рис. 1 представлены изношенные инструменты с покрытиями MoN/CrN и (TiAlSiY)N.

Рис. 1. Изношенные инструменты с покрытиями MoN/CrN (а, б) и (TiAlSiY)N (в, г)
на этапе приработки (T = 1 мин) (а, в) и после 10 мин резания (б, г)

Характерной особенностью износа инструмента с покрытием при указанных условиях резания является наличие переходных зон на участках между изношенными фрагментами на подложке (ПКНБ «борсинит») и поверхностями покрытия, которые не подвергались трению. Они появляются в результате когезионного разрушения покрытия и его истирания. Переходные зоны являются единственными участками, на которых покрытие сохраняется в пределах контактных поверхностей инструмента. Очевидно, интенсивностью разрушения материала в переходных зонах и определяется скорость расширения лунки на передней поверхности и фаски на задней поверхности инструмента, то есть интенсивность изнашивания инструмента.

Для сравнения эффективности двух исследуемых покрытий при проведении экспериментов величина износа режущего инструмента по задней поверхности измерялась в различные моменты времени так, чтобы можно было экстраполировать кривую износа до критерия стойкости инструмента hз = 0,3 мм. Как видно из рис. 2, минимальный износ после 10 мин. резания наблюдался для режущего инструмента с покрытием (TiAlSiY)N и составлял 0,14 мм (v = 85 м/мин.). Для инструмента с покрытием MoN/CrN ширина фаски износа по задней поверхности после 10 мин. резания составляла 0,20 мм (v = 75 м/ мин.). Для сравнения: износ инструмента с ПКНБ без покрытия при указанных скоростях в контрольный момент времени достигал 0,24 и 0,20 мм соответственно. На основании экстраполяции полученных результатов по отношению к базовому варианту коэффициент повышения стойкости (КТ) инструмента для покрытий MoN/CrN и (TiAlSiY)N составляет 1,25 и 1,66 соответственно.

Рис. 2. Влияние времени обработки на величину фаски износа инструментов:
а) MoN/CrN (скорость резания 85 м/мин); б) ПКНБ + (TiAlSiY)N (скорость резания 75 м/мин)

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения покрытия (TiAlSiY)N.

Еще одна серия экспериментов проводилась при точении заготовки из стали ХВГ твердостью 48–51 HRC. Режимы резания: t = 0,15 мм; S = 0,12 мм/об.; v = 132–137 м/мин.

Инструменты, изношенные на задней поверхности, представлены на рис. 3.

Рис. 3. Износ инструмента без покрытия (а, в, д, ж) и с покрытием (TiAlSiY)N (б, г, е, з):
a, б – новый инструмент; в, г – время резания 4,25 мин.;
д, е – время резания 13,25 мин.; ж, з – время резания 25,50 мин.

Стойкость инструмента ограничена скоростью деградации изношенной поверхности, нарастанием ширины фаски износа на задней поверхности, сколами и потерей режущей кромкой прямолинейности, что обусловливает рост высоты микронеровностей на обработанной поверхности. Из рис. 3 видно, что микровыкрашивание режущей кромки инструмента с покрытием интенсифицируется после 25 минут резания. Это вызывает увеличение шероховатости обработанной поверхности от Ra 0,35–0,40 до Ra 0,55–0,60.

Результаты анализа данных экспериментов, представленные на рис. 4, позволяют принять в качестве критерия стойкости инструмента величину фаски износа на задней поверхности 0,25–0,27 мм при наличии покрытия только на задней поверхности и 0,20–0,22 мм при наличии покрытия на задней и передней поверхностях. С учетом шероховатости обработанной поверхности коэффициент повышения стойкости для инструмента с покрытием (TiAlSiY) N составляет КТ = 1,25.

Рис. 4. График зависимости износа инструмента по задней поверхности и
шероховатости обработанной поверхности от времени резания:
1, 4 – инструмент без покрытия; 2, 5 – инструмент с покрытием (TiAlSiY)N на передней и задней поверхностях;
3, 6 – инструмент с покрытием (TiAlSiY)N на задней поверхности

Результаты проведенного комплекса исследований показывают перспективность применения защитных покрытий для повышения стойкости инструментов с ПКНБ при обработке закаленных сталей.

Похожие статьи


Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.