Влияние вакуумно-плазменных покрытий TIN на стойкость режущего инструмента из быстрорежущих сталей

Влияние вакуумно-плазменных покрытий TiN на стойкость режущего инструмента из быстрорежущих сталей

В.М. Мацевитый,* д-р техн. наук; И.Б. Казак,* канд. техн. наук;

И.В. Волчок,** канд. физ.-мат. наук

*Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины

**Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства

В работе рассмотрены особенности изнашивания режущих инструментов из быстрорежущих сталей, существенно отличающихся по химическому составу и структуре. Выявлены закономерности влияния вакуумно-плазменных покрытий на стойкость режущих инструментов в широком интервале скоростей резания.

Известно, что тонкие износостойкие покрытия на основе тугоплавких соединений, нанесенные на рабочие поверхности режущих инструментов, существенно повышают их работоспособность.

В работе [1] рассмотрены закономерности влияния покрытий на основные характеристики процесса резания, температурный режим инструментов и их стойкость.

Настоящая работа является развитием этих исследований. В ней рассматриваются некоторые особенности изнашивания режущих инструментов из быстрорежущих сталей, существенно отличающихся по химическому составу и структуре.

Методика испытаний

Резцами из сталей Р6М5 и 11М5Ф с геометрией заточки =0; =45; ₁=15; =12; =0 осуществлялось точение нормализованной стали 45 в широком интервале скоростей резания при толщине среза 0,25 мм и глубине резания 0,5 мм. Точение проводилось на универсальном токарно-винторезном станке модели 1А62 без применения смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ).

Затупление инструмента контролировалось с помощью оптической измерительной системы, позволяющей измерять ширину фаски износа на задней поверхности с погрешностью 0,0002 мм. В качестве критерия затупления была принята заданная ширина фаски износа на задней поверхности h_з.

Покрытия TiN толщиной 5 мкм наносили на установке «Булат-3Т» по режиму, обеспечивающему хорошую адгезию покрытия к инструментальной основе и незначительное содержание -Ti в покрытии.

Результаты и их обсуждение

Кинетика изменения ширины фаски износа резцов из стали Р6М5 имеет одинаковый характер как для резцов с покрытием, так и без покрытия. При этом следует отметить весьма резкий переход от установившейся скорости изнашивания задней поверхности к ее ускоренному изнашиванию, что связано с проточиной, которая выходит на ребро между задней и задней вспомогательной поверхностями. В табл.1 приведена скорость роста проточины на задней вспомогательной поверхности.

Видно, что эта скорость для резцов из стали Р6М5 сначала увеличивается со скоростью резания, а затем несколько снижается. Поскольку изнашивание скольжением непосредственно связано с окислением поверхности, то увеличение её интенсивности с ростом скорости (а значит, и температуры) резания представляется естественным. Снижение интенсивности изнашивания скольжением при дальнейшем увеличении скорости резания, очевидно, связано с усилением адгезионного взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов, в силу которого увеличивается налипание стали 45 на инструмент, что предохраняет его от изнашивания скольжением. Резцы из стали 11М5Ф, которая, как будет показано ниже, имеет более сильную адгезионную активность по отношению к стали 45, в значительно меньшей степени подвержены изнашиванию скольжением. Высокая интенсивность изнашивания скольжением при средних скоростях точения резцами из Р6М5 приводит к тому, что долговечность резцов в данном случае контролируется именно этим механизмом изнашивания. Износостойкое покрытие несколько снижает интенсивность изнашивания скольжением (см. табл.1), однако радикальным образом на его интенсивность не влияет. Борьба с указанным видом изнашивания состоит в выборе наилучшей геометрии инструмента, в частности, в создании переходного лезвия между основной и вспомогательной режущей кромкой, а также в выборе рационального режима обработки, при котором шероховатость обработанной поверхности будет наименьшая [2].

Таблица 1- Скорость удлинения проточины (10^-2мм/мин) на задней вспомогательной поверхности резцов из сталей Р6М5 и 11М5Ф
при точении стали 45 (S=0,25 мм/об; t=0,5 мм)

Поверхностная упрочняющая обработка инструментов направлена прежде всего против изнашивания задней поверхности, не связанного с изнашиванием скольжением, поэтому при проведении стойкостных испытаний приходилось выделять из общей картины изнашивания как "нормальный" износ инструмента, так и износ в связи с проточиной; в частности, приходилось анализировать вид кривых стойкости L = L(V), построенных для относительно малых допустимых h_з, соответствующих такому положению проточины на задней вспомогательной поверхности, когда она еще не оказывает влияния на работоспособность инструмента.

На рис.1-3 представлена серия кривых зависимостей длины пути резания L от скорости резания V, построенных для резцов с покрытием и без покрытия для разных допустимых значений износа h_з.

Рисунок 1 - Зависимость длины пути резания от скорости при точении стали 45 резцами из стали Р6М5 без покрытия (1) и с покрытием TiN (2) при допустимом износе задней поверхности hз=0,15 мм (S=0,25 мм/об; t = 0,5 мм)

Рисунок 2 - Зависимость длины пути резания от скорости при точении стали 45 резцами из стали Р6М5 без покрытия (1) и с покрытием TiN (2) при допустимом износе задней поверхности hз=0,25 мм; (S = 0,25 мм/об,; t = 0,5 мм)

Анализ приведенных зависимостей показывает следующее.

При малых допустимых h_з стойкостные кривые в исследованном скоростном интервале имеют один максимум, который связан с наростообразованием.

Покрытие TiN смещает указанный максимум в область более низких скоростей резания.

При h_з =0,35 мм кривая L = L(V) имеет минимум в области средних скоростей резания, что связано с выходом на ребро первой проточины, переместившейся с задней вспомогательной поверхности.

Рисунок 3 - Зависимость длины пути резания от скорости при точении стали 45 резцами из стали Р6М5 без покрытия (1) и с покрытием (2) при допустимом износе задней поверхности hз=0,35 мм.

(S=0,25 мм/об; t=0,5 мм)

Замечено, что проточина начинает интенсифицировать изнашивание тогда, когда ее длина (для принятой геометрии резания) превосходит 0,8 мм. Если на кривой L = L(V), построенной для h_з = 0,35 мм (см. рис.3), стрелочками отметить точки, для которых длина проточины превышает 0,8 мм, то можно убедиться, что все эти точки как раз и образуют минимум кривой L = L(V). Очевидно, если бы удалось снизить интенсивность изнашивания скольжением, то кривая имела бы обычный вид с одним максимумом (см. пунктирную кривую на рис.3).

Покрытие TiN обеспечивает повышение стойкости резцов при S=0,25 мм/об в области малых и средних скоростей резания. При высоких скоростях резания стойкость резцов с покрытием TiN меньше.

Стойкостные испытания проведены также для резцов из стали 11М5Ф, которая по ряду важнейших свойств существенно отличается от стали Р6М5, при этом покрытия TiN по своему фазовому составу были идентичны покрытиям на резцах из стали Р6М5.

Анализ стойкостных зависимостей (рис.4) показывает следующее.

1) В исследованном скоростном интервале стойкостная зависимость как для резцов с покрытием, так и без покрытия характеризуется наличием максимума, который, как и для инструментов из быстрорежущей стали Р6М5, связан с наростообразованием.

2) Максимум кривой L = L(V) для резцов с покрытием смещен относительно аналогичного максимума кривой для резцов без покрытия в сторону меньших скоростей резания.

3) Резцы с покрытием имеют в 1,5 _ 2 раза более высокую стойкость в интервале скоростей 20 _ 40 м/мин. При более высоких скоростях резания стойкость резцов с покрытием несколько ниже по сравнению с резцами без покрытия.

Результаты, полученные на резцах из стали 11М5Ф, свидетельствуют о возможности значительного повышения стойкости инструментов из молибденовой стали 11М5Ф в области малых и умеренных скоростей резания, что очень важно для таких инструментов, как метчики, протяжки, плашки, долбяки, некоторые виды фрез и т.п.

Что дает сравнение стойкостных испытаний резцов из стали 11М5Ф и Р6М5? Прежде всего следует подчеркнуть, что основные закономерности влияния покрытия TiN на стойкость резцов одинаковы для обеих сталей. С другой стороны, имеется и ряд особенностей. Сталь 11М5Ф имеет большую устойчивость по отношению к изнашиванию скольжением (см. табл.1), в связи с чем проточина на задней вспомогательной поверхности развивается на резцах из этой стали медленнее и не выходит на ребро вплоть до достижения h_з =0,5 мм. Поэтому на стойкость резцов из стали 11М5Ф проточина влияния не оказывает.

При малых допустимых значениях h_з стойкость резцов из стали Р6М5 выше по сравнению с резцами из стали 11М5Ф во всем исследованном интервале скоростей резания (рис.5). Сравнение механических свойств двух сталей показывает, что сталь Р6М5 ни по одному из них не имеет преимуществ, которые могли бы объяснить наблюдаемый эффект. Единственное существенное отличие сталей - по структурному признаку: сталь Р6М5 имеет первичные карбиды, а сталь 11М5Ф их практически не имеет. Из общих соображений можно предположить, что наличие первичных карбидов должно обеспечить большую сопротивляемость материала абразивному изнашиванию (при одинаковой макротвердости сравниваемых материалов).

Рисунок 5 - Зависимость длины пути резания от скорости при точении стали 45 резцами из стали Р6М5 (1) и резцами из стали 11М5Ф (2) при допустимом износе задней поверхности h_з = 0,15 мм (S=0,25 мм/об; t = 0,5 мм)

Более высокая устойчивость стали 11М5Ф к изнашиванию скольжением, как уже отмечалось, обусловлена большей схватываемостью этой стали (по сравнению с Р6М5) с обрабатываемым материалом. Это обуславливает налипание обрабатываемого материала на инструмент, что предохраняет его от изнашивания скольжением. Более высокая адгезионная активность (схватываемость) стали 11М5Ф по отношению к стали 45 подтверждается измерением основных характеристик процесса резания, результаты которых представлены в табл.2.

Более высокие значения сил резания, а также параметра l_п, как известно, являются показателями большей адгезионной активности инструмента к обрабатываемому материалу.

Таблица 2 - Основные характеристики контактного взаимодействия при точении стали 45 резцами из сталей Р6М5 и 11М5Ф
(V = 89,5 м/мин; S = 0,25 мм/об; t = 0,5 мм)

В случае стали Р6М5 максимум на кривых L = L(V), соответствующих резцам как с покрытием, так и без покрытий, оказывается смещенным относительно аналогичного максимума для случая резцов из стали 11М5Ф в область малых скоростей резания, что, очевидно, отражает более низкий уровень теплопроводности стали Р6М5.

Следует отметить очень сильное влияние покрытий TiN на относительную стойкость резцов из стали 11М5Ф при малых значениях допустимого износа h_з (рис.7), что является свидетельством полезной защитной функции покрытия TiN на задней поверхности резцов из этой стали, которая, как отмечалось, имеет низкое сопротивление абразивному изнашиванию. Относительный вклад покрытий в сопротивление изнашиванию задней поверхности, естественно, уменьшается с увеличением допустимого значения h_з, поскольку покрытие на задней поверхности весьма тонкое и стирается уже при h_з=0,05 мм.

Рисунок 7 - Зависимость длины пути резания от скорости при точении стали 45 резцами из стали 11М5Ф без покрытия (1) и с покрытием TiN (2) при допустимом износе задней поверхности
hз = 0,15 мм (S=0,25 мм/об; t=0,5 мм)

Выводы

1 Резцы из стали Р6М5 характеризуются высокой интенсивностью изнашивания скольжением, и покрытие TiN слабо влияет на этот вид изнашивания. Образующаяся при этом проточина на задней поверхности резцов затрудняет анализ кинетики нормального изнашивания задней поверхности резцов из стали Р6М5. Вместе с тем при малых допустимых h_з стойкостные кривые L = L(V) в исследованном скоростном интервале имеют один максимум, который связан с наростообразованием. Покрытие TiN смещает этот максимум в область более низких скоростей резания.

2 Резцы из стали 11М5Ф имеют более высокую устойчивость по отношению к изнашиванию скольжением. В исследованном скоростном интервале для резцов из стали 11М5Ф характерна кривая L = L(V) с одним максимумом, связанным с наростообразованием, причем покрытие TiN смещает этот максимум в сторону более низких скоростей резания. Резцы из стали 11М5Ф плохо сопротивляются абразивному изнашиванию. Поэтому использование покрытий TiN на задней поверхности резцов существенно повышает их стойкость при малых допустимых h_з.

summary

The paper analyses the habits of wear process of cutting tools from the rapid tool steels essentially distinguished on an chemical composition and structure. Regularities of effect of vacuum - plasma coatings on durability of cutting tools in a wide interval of cutting speeds are detected.

Список литературы

1. Мацевитый В.М. Покрытия для режущих инструментов. - Харьков: Вища шк., 1987. - 128 с.

2. Трент Е.М. Резание металлов / Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1980. -263 с.