К технико-экономическим преимуществам твердосплавного инструмента с карбидным покрытием следует отнести сокращение расхода дорогих и дефицитных вольфрамосодержащих материалов и сокращение номенклатуры твердых сплавов для всех видов механической обработки.

ИНСТРУМЕНТ СТАНОВИТСЯ СИЛЬНЕЕ

ИНСТРУМЕНТ СТАНОВИТСЯ СИЛЬНЕЕ

Владимир ЛОСКУТОВ, доктор
наук,

Виктор ХИЖНЯК, доктор наук,

Марина БОБИНА, кандидат наук,
кафедра металловедения и термической обработки
НТУУ "КПИ"

К технико-экономическим
преимуществам твердосплавного инструмента с
карбидным покрытием следует отнести сокращение
расхода дорогих и дефицитных
вольфрамосодержащих материалов и сокращение
номенклатуры твердых сплавов для всех видов
механической обработки.

Становление Украины как
независимого промышленного развитого
государства невозможно без разработки и
внедрения новых технологических процессов,
конкурентоспособных на мировом рынке.

Технический прогресс во многих
отраслях промышленности связан, прежде всего, с
решением проблемы повышения надежности и
долговечности деталей машин и инструмента. Это
позволяет не только повысить срок их службы, но и
сократить расход металла на изготовление
запасных частей, снизить простои оборудования,
связанные с переналадкой и ремонтом, увеличить
производительность труда, способствовать
экономии материальных, энергетических и
трудовых ресурсов.

Увеличить работоспособность
деталей и инструмента представляется возможным
за счет усовершенствования их конструкций,
применения новых марок сталей и сплавов,
создания и практического использования
различных типов защитных покрытий на основе
карбидов, боридов, нитридов, оксидов. Оценивая
возможности каждого из указанных способов и их
экономическую эффективность, можно прийти к
выводу о том, что дальнейший прогресс во многих
отраслях связан с разработкой и внедрением
процессов нанесения защитных покрытий.

Среди известных типов покрытий
наиболее весомый вклад в решение этой проблемы
могут внести защитные слои на основе карбидов
переходных металлов, которые наряду с высокими
значениями твердости и прочности дополнительно
обладают целым комплексом ценных свойств:
высокими значениями износостойкости,
коррозионной и кавитационной стойкости,
задиростойкости, жаростойкости и другими.

В развитых странах 80% всех
многогранных неперетачиваемых твердосплавных
пластин с механическим креплением (МНТП)
поступают к потребителю с защитными покрытиями.

Используемые в мировой практике
PVD и СVD – технологии нанесения покрытий,
позволяющие повысить работоспособность
твердосплавного и стального режущего
инструмента в 1,5-2 раза, обладают рядом
существенных недостатков: склонностью
полученного покрытия к скалыванию из-за
недостаточного сцепления защитного покрытия с
матрицей твердого сплава; большим расходом
исходных реагентов; сложностью, энергоемкостью и
высокой стоимостью применяемого оборудования.

Этих недостатков полностью
лишены новые технологические процессы нанесения
карбидных покрытий, в соответствии с которыми
карбидизацию осуществляют в замкнутом
реакционном пространстве в условиях пониженного
давления (102 Па). Процесс нанесения покрытий на
основе карбидов титана, циркония, ванадия, ниобия
и хрома осуществляют при температуре 900-11000С в
течение 1-6 часов. (Патенты Украины 2856, 2944, 2597)
Установка для нанесения карбидных покрытий
проста и не требует для обслуживания
высококвалифицированного персонала. Стоимость
комплектующих узлов установки не превышает 300
у.е.

Эти покрытия отличаются от
известных необходимым сочетанием высокой
прочности сцепления покрытия с матрицей,
микротвердостью (от 16,5 до 40,0 ГПа),
микрохрупкостью в широком диапазоне значений (от
0,20Ч10-3 до 0,63Ч10-3 условных единиц), что обеспечивает
повышение стойкости твердосплавного
инструмента до разрушения в несколько раз.

Для всех видов твердых сплавов,
предназначенных для изготовления режущего
инструмента, основным является их стойкость при
резании различных сплавов.

Очень важна роль геометрии
режущего инструмента и, в частности, радиуса
скругления главной и вспомогательной режущих
кромок. Особенно в неблагоприятных условиях в
процессе эксплуатации инструмента находится
покрытие, вероятность разрушения которого
возрастает с приближением его толщины к радиусу
скругления режущей кромки. В этом случае
возникающие касательные напряжения могут
разрушить покрытие на площадке контакта
передней и задней поверхностей. Наиболее
благоприятно работают покрытия, толщина которых
в 2-6 раз меньше величины радиуса скругления
(радиус скругления для твердых сплавов 10-20 мкм).

Прочностные характеристики
твердых сплавов с карбидными покрытиями
показали положительное влияние карбидных
покрытий, то есть присутствие карбидного слоя на
твердом сплаве будет повышать надежность
инструмента. При выборе оптимальной толщины
карбидного покрытия необходимо учитывать и
значение коэффициента вариации прочности или
стойкости.

Исследования влияния толщины
карбидных покрытий на стойкость твердосплавного
инструмента позволили установить оптимальные
толщины покрытий на твердых сплавах марок ВК8 и
Т15К6 (табл. 1).

Таблица 1. Параметры
карбидных покрытий твердых сплавов

Результаты сравнительных
стойкостных испытаний твердосплавного
инструмента с многокомпонентными карбидными
покрытиями представлены в таблице 2.

Стойкость МНТП с карбидными
покрытиями оказалась выше стойкости исходных
твердосплавных пластин в 2,5-27,4 раза, причем в
большинстве случаев максимальную стойкость
показали твердые сплавы с покрытиями на основе
комплексных карбидов титана.

При точении высокоуглеродистых
и легированных сталей скорость износа МНТП с
карбидными покрытиями во всем временном
интервале испытания независимо от типа
наносимого покрытия значительно ниже серийных.
При точении стали 20 МНТП с карбидными покрытиями
на основе ванадия, ниобия, циркония и хрома,
несмотря на увеличение общей стойкости пластин с
покрытиями, наблюдается интенсивный износ в
начальный промежуток времени испытания,
превосходящий износ пластин без покрытия.

Таблица 2. Влияние различных
типов покрытий на стойкость

твердосплавных пластин с покрытиями при точении

Твердосплавные пластины с
покрытиями на основе тугоплавких соединений
нецелесообразно применять при обработке сплавов
с повышенным содержанием легирующих элементов
ввиду резкого увеличения адгезивного износа.
Например, при точении титанового сплава ВТ6
стойкость МНТП с однокомпонентными покрытиями
на основе карбида титана оказалась значительно
ниже серийных. Несмотря на высокую твердость
карбидного слоя, препятствующую истиранию, и
высокую химическую инертность карбида титана
наблюдается интенсивное диффузионное
взаимодействие покрытия и материала основы.
Частички сплава налипают на режущую кромку МНТП
и, отрываясь, уносят частицы материала покрытия,
а затем и твердого сплава. В результате этого,
наряду со снижением общей стойкости инструмента,
ухудшается чистота обрабатываемой поверхности.
Как показали проведенные испытания, при
обработке сплава ВТ6 максимальную стойкость
показали многокомпонентные покрытия с участием
циркония и хрома.

Влияние защитных покрытий на
режущие свойства МНТП в значительной степени
связаны с механическими свойствами (твердостью и
прочностью) и жаростойкостью материала покрытия,
изменяющимися с ростом температуры.
Непосредственно в зоне резания температура
может достигать значительных величин – 1073-1273 К.
Твердость и прочность карбидных покрытий и
самого материала твердого сплава с ростом
температуры понижаются, а образующаяся в
процессе резания на поверхности твердых сплавов
плотная оксидная пленка положительно влияет на
свойства инструмента.

На основании проведенных
исследований стойкости МНТП с покрытиями можно
отметить, что механизм изнашивания твердых
сплавов при резании после нанесения покрытий не
изменяется. При этом минимальная интенсивность
износа МНТП с многокомпонентными карбидными
покрытиями в некоторых случаях наблюдается при
скорости резания, в 1,5-2,1 раза превышающей
значения аналогичного показателя исходных
пластин.

Несмотря на более высокую
стоимость твердосплавного инструмента с
карбидными покрытиями, затраты на его
химико-термическую обработку быстро окупаются
благодаря экономии инструмента и росту
производительности труда, за счет повышения
параметров резания, сокращения времени на смену
вышедшего из строя инструмента. К
технико-экономическим преимуществам
твердосплавного инструмента с карбидными
покрытиями следует отнести сокращение расхода
дорогих и дефицитных вольфрамосодержащих
материалов и сокращение номенклатуры твердых
сплавов для всех видов механической обработки.

Эта технология была внедрена на
ПО им. Королева, на ПО “Укрверстатинструмент” и
на авиазаводе им. Антонова, г. Киев.