Современные методы поверхностного упрочнения инструментов

 

Помимо нанесения износостойких покрытий на поверхности инструментов существуют еще четыре группы технологий поверхностного упрочнения режущих инструментов:

1. Методы механического упрочнения: вибрационный, дробеструйный, взрывом и т.д. Наиболее часто используют для упрочнения инструментов из быстрорежущей стали и твердых сплавов. Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – наклеп поверхностного слоя на глубину 0.2-0.8 мм с целью создания в нем остаточного напряжения сжатия. При наклепе поверхностный слой расплющивается. Удлинению поверхностного слоя препятствует сила сцепления с нижележащими слоями металла. Вследствие этого в наклепанном слое возникают двухосные напряжения сжатия, а в толще основного металла незначительные реактивные напряжения растяжения. Складываясь с рабочими напряжениями растяжения, остаточные напряжения сжатия уменьшают, а при достаточно больших значениях компенсируют первые. Возникающие при наклепе множественные искажения структуры (деформация зерна, местные пластические сдвиги) эффективно тормозят развитие усталостных повреждений и расширяют область существования нераспостроняющихся трещин, увеличение которых обуславливает существование разрушающих напряжений. Эффективен наклеп в напряженном состоянии, представляющий собой сочетание упрочнения перегрузкой с наклепом. При этом способе деталь нагружают нагрузкой того же напряжения, что и рабочая, вызывая в материале упругие или упругопластические деформации. После снятия нагрузки в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия. Наклепанный слой чувствителен к нагреву. При температурах 400-500 ^оС действие наклепа полностью исчезает, из-за наступающего при этих температурах процесса рекристаллизации, устраняющего кристалло-структурные изменения, внесенные наклепом. Основные разновидности упрочнение поверхности пластической деформацией: дробеструйная обработка, обкатывание, чеканка, алмазное выглаживание.

Дробеструйная обработка заключается в наклепе поверхностного слоя потоком закаленных шариков (диаметр 0.5-1.5 мм), создаваемым центробежными дробеметками. Качество поверхности при данном процессе немного снижается. Плоские поверхности упрочняют обкатыванием шариками, установленными во вращающемся патроне. Заготовке придают движение продольной и поперечной подачи, при правильно выбранном режиме обкатывания, остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое составляют 600-1000 МПа. Глубина уплотнения слоя 0.2-0.5 мм. Данный процесс улучшает качество поверхности детали. Поверхность вращения упрочняют обкатыванием стальными закаленными роликами. Силу прижатия ролика выбирают с таким ращетом, чтобы создать в поверхностном слое напряжения, превышающие предел текучести материала в условиях всестороннего сжатия (для стали 5000-6000 МПа). Чеканку производят бойками со сферической рабочей поверхностью, приводимыми в колебания пневматическими устройствами. Частота колебаний и скорость вращения заготовки должны быть согласованы таким образом, чтобы наклепанные участки перекрывали друг друга.

Алмазное выглаживание заключается в обработке предварительно шлифованной и полированной поверхности закругленными алмазными резцами (радиус 2-3 мм). Поверхностный слой уплотняется до глубины 0.3-0.5 мм.

2. Методы химико-термической обработки (ХТО) инструментальных сталей: азотирование, цементация, карбонитрация, оксидирование, борирование в газовых и жидких средах, тлеющем газовом электрическом разряде (ионное азотирование). Высокую поверхностную прочность обеспечивает изотермическая закалка, а также термомеханическая обработка поверхности детали. При поверхностной закалке (газопламенная закалка) и химико-термической обработке (цементование) упрочнение обусловлено главным образом возникновением в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений вследствие образования структур большего удельного объема (нитриды и карбонитриды при нитроцементации и азотировании), чем структуры основного металла. Расширение поверхностного слоя тормозит сердцевина, сохраняющая исходную перлитную структуру, вследствие чего в поверхностном слое возникают двухслойные напряжения сжатия. В нижних слоях развиваются реактивные растягивающие напряжения, имеющие малое значение, из-за незначительности сечения термически обработанного слоя сравнительно с сечением сердцевины. Создание предварительных напряжений сжатия снижает среднее напряжение в области сжатия, тем самым повышается предел выносливости. Газовая закалка повышает предел выносливости по сравнению с исходной конструкцией из необработанной стали в 1.85 раза. Наиболее эффективным способом обработки является азотирование, которое практически полностью устраняет внешних концентраторов напряжений. Азотирование не вызывает изменения формы и размеров детали. Азотированный слой обладает повышенной коррозие - и термостойкостью. Твердость и упрочняющий эффект сохраняются вплоть до температур 500-600 ^оС. Оптимальные толщины слоя уплотнения при цементации 0.4-0.8 мм, цементовании и азотировании 0.3-0.5 мм, закалке с нагревом и газовой закалке 2-4 мм. Качество поверхности значительно улучшается.

Электроискровое, магнитное, ультразвуковое упрочнение. Данные метода редко применяются для обработки режущих инструментов.

Физическое упрочнение: лазерная обработка, ионная имплантация. Технология ионной имплантации является на сегодня одной из наиболее перспективной с точки зрения создания композиционных материалов с оптимальным набором поверхностных и объемных свойств.

Ионная имплантация – это процесс, в котором практически любой элемент может быть внедрен в приповерхностную область любого твердого тела – мишени (подложки), помещенной в вакуумную камеру, посредством типа высокоскоростных ионов, имеющих энергию в несколько мегаэлектроновольт.

Ионы внедряются в материал мишени (подложки) на глубину от 0,01мкм до 1мкм, теряя энергию в процессе столкновений с атомами основы.

Профиль (распределение) концентрации примеси по глубине для большинства комбинаций – внедряемый атом – мишень (подложка) может быть вычислен. Для малой дозы ионов (малого числа ионов на единицу площади) профиль распределения концентрации примеси по глубине обычно хорошо описывается гауссовым распределением с центром в середине области распространения. В результате ионной имплантации образуется поверхностный слой сплава с изменяющимся составом, который не обладает выраженной поверхностью раздела, характерной для осажденного покрытия.

Преимуществом ионной имплантации, как метода модифицирования поверхности по сравнению с другими методами упрочнения поверхности, являются:

- увеличение растворимости в твердом состоянии;

- независимость образования сплавов от констант диффузии;

- возможность быстрого изменения состава сплава;

- независимость от процессов протекаемых в объеме материала;

- возможность процесса при низких температурах;

- весьма незначительное изменение размеров обрабатываемой детали;

- отсутствие проблемы аугезии, так как не существует ярко выраженной поверхности раздела;

- контролируемая глубина распределения концентрации;

- вакуумная чистота;

- высокая контролируемость и воспроизводимость.

Основным недостатком ионной имплантации является обработка только той части поверхности инструмента, которая находится непосредственно в области действия пучка ионов.

Технологии нанесения покрытий на инструменты обладают высокой производительностью, универсальностью, экономично­стью. Кроме того, появляется возможность управления условиями формиро­вания и свойствами покрытий, а также свойствами композиции покрытие — инструментальный материал. Инструментальный ма­териал с износостойким покрытием является новым материалом композиционного типа, в котором оптимально сочетаются свой­ства поверхностного слоя (высокие значения твердости, тепло­стойкости, пассивности по отношению к обрабатываемому мате­риалу и т. д.) и свойства, проявляющиеся в объеме тела инстру­мента (прочность, ударная вязкость, трещиностойкость и т. д.).

В настоящее время систематизация марок инструментальных материалов должна быть дополнена систематизацией характеристик поверхностных слоев с измененными свойствами (СИС), иначе невозможно объективно определить возможность применения и технологии упрочнения в целом, и множества вариантов состава и конструкций упрочненных слоев для конкретных условий обработки. Данная систематизация представлена на рис.34.3

Применяемые способы упрочнения режущей части инструментов сгруппированы на рис 34.3 не просто по их физическим особенностям, но и по конечному результату –диапазону характеристик и вариантам конструкции получаемых слоев, которые необходимо знать в первую очередь для принятия решения об их применении. Всего предусмотрено четыре признака, ранжированных в строго определенном порядке.

Исходя из того, что области применения традиционных марок материалов определены достаточно четко, первым признаком становится наличие на материале режущей части инструмента какого-либо варианта упрочненного слоя.

Рис. 7.3 Систематизация вариантов материала режущей части инструмента

Это условие разграничивает диапазоны свойств этих слоев, т.е. это, по сути, новые классы материалов, обладающие качественно различными служебными характеристиками. Очевидно, что упрочнение основы, т.е. изменение свойств уже имеющегося «базового» инструментального материала, не позволит намного увеличить их твердость и износостойкость в отличие от нанесения покрытий, свойства которых практически не сильно зависят от свойств основы.

Вторым признаком систематизации является возможная технология получения того или иного варианта упрочненного слоя режущей части инструмента. Он определяет возможности использования упрочненного слоя в производстве.

Третьим признаком является общая, интегральная характеристика упрочненного слоя – его суммарная толщина. Влияние толщины износостойкого покрытия на работоспособность инструмента изучено достаточно подробно и будет рассмотрено ниже. Необходимо отметить, что разные технологии упрочнения могут обеспечивать строго определенные диапазоны толщин и каждый вариант слоя имеет свой, ярко выраженный оптимум.

Четвертым признаком группирования является дифференцированная характеристика упрочненного слоя – конкретное сочетание толщины слоя в целом, а также химического состава и структуры составляющих его слоев. Известно, что даже незначительное изменение только одного элемента (толщины или химического состава одного из составляющих слоев) позволяет существенно повысить потенциал работоспособности инструментов. Для упрочненных слоев основы важным является оптимальность градиента свойств от сердцевины к поверхности инструмента.

Технологические особенности получения слоев с измененными свойствами не являются самостоятельными признаками группирования. Они лишь обеспечивают служебные характеристики конструкции слоя.

В результате анализа особенностей промышленной эксплуатации режущего инструмента с покрытием можно отметить следующее:

1. Инструмент с покрытием заметно дороже инстру­мента без покрытия, что требует более высокой культуры произ­водства, использования неизношенного станочного оборудования, тщательного экономического анализа целесообразности использо­вания инструмента с покрытием.

2. Наиболее целесообразно эксплуатировать инстру­мент с покрытием на скоростях, превышающих скорость резания обычного инструмента на 30—60%. Такие скорости соответствуют оптимальной экономической скорости резания, минимизирующей интенсивность изнашивания и затраты на обработку резанием.

3. В настоящее время промышленность использует разнообразный режущий инструмент с покрытием, получаемый различными технологическими методами, что требует от заводских технологов знаний областей наиболее рационального использова­ния такого инструмента. Эффективность инструмента с покрытием при различных условиях обработки сильно зависит от метода получения покрытия даже одного химического состава.

 

7.3. Контрольные вопросы:

 

1. В чем необходимость поверхностного упрочнения режущих инструментов?

2. Каковы современные методы поверхностного упрочнения инструментов? Их преимущества и недостатки

3. В чем заключается основной принцип систематизации материалов режущей части инструментов?