В этой главе в основном рассмотрены методы направленного по­верхностного и объемного воздействия на структуры инструментального ма­териала с целью создания композиционного материала, у которого бы опти­мально сочетались поверхностные (твердость, теплостойкость, трещиностой­кость и т. д.) и «объемные» свойства (ударная вязкость, прочность при изгибе, сжатии и т. д.). Такой материал по своим свойствам приближается к гипотети­ческому идеальному инструментальному материалу (см. рис. 11.1).

Анализ методов поверхностного упрочнения инструментальных материа­лов позволяет классифицировать их на четыре основные группы (рис. 12.1).

Первая группа включает методы механического упрочнения вибрационное, дробеструйное, взрывом и др. Эту группу характеризует минимальная плот­ность энергетического воздействия (до 104 Вт/см2), при времени воздействия (1СГ8 — 10‘6 с) и уровне удельной энергии до 106 Дж/см.

Ко второй группе отнесены методы химико-термической обработки (ХТО) — азотирование, цементация, карбонитрация, оксидирование, борирование в газовых, жидких средах, тлеющем газовом электрическом разряде. Для этой группы методов характерно среднее значение плотности энергии (105—107 Вт/см2 ), увеличено время воздействия при уровне удельной энергии (103—105 Дж/см2).

Для третьей группы методов (электроискровое, магнитное, ультразвуковое упрочнение) характерен высокий уровень удельной энергии воздействия (до 10® Дж/см2), плотность энергии (до 106 Дж/см2) и среднее время воздействия. К четвертой группе отнесены методы физического упрочнения — лазерная обра­ботка, ионная имплантация, которые характеризуются максимальной плотно­стью энергии (до 10 Вт/см2) при достаточно высоком уровне удельной энер­гии (106- 108 Дж/см2).

В настоящее время выполнен значительный объем исследований, посвя­щенных разработке методов поверхностного и объемного упрочнения инстру­ментальных материалов с целью улучшения их свойств [8, 9, 10,11, 13, 15, 17, 30, 32, 38, 57, 58, 75, 79, 80, 97, 110-112].

Механическое упрочнение. Достаточно большое распространение полу­чили методы механического упрочнения за счет поверхностно-пластического деформирования (ППД) рабочих поверхностей инструмента. В частности, достаточно широко используют ППД инструмента из быстрорежущей стали [71, 76], твердого сплава [72, 110, 111], все большее применение находят методы поверхностного упрочнения инструмента из БВТС и режущей керамики [17, 64]. Высокая экономическая эффективность методов поверхностного упрочнения (ПУ) обусловлена их сравнительной технологической простотой и достаточ­ной дешевизной оборудования для реализации ПУ.

Методы отделочно-упрочняющей обработки обеспечивают зачистку (уда­ление дефектного поверхностного слоя), отделку (улучшение микрорельефа поверхностей и кромок) и упрочнение материала (повышение физико­механических свойств). Обычно можно выделить доминирующий эффект, разделив методы на преимущественно отделочные и преимущественно упроч­няющие.

Введение отделочно-упрочняющих операций, хотя и связано с дополни­тельными затратами, позволяет более гибко управлять физико-механическими и микрогеометрическими параметрами инструмента, эффективно повышая его качество. Вместе с тем, многие формообразующие операции также упроч­няют инструментальный материал, например гидроэкструзия и эльборовая заточка быстрорежущей стали, горячее изостатическое прессование и алмаз­ное шлифование твердого сплава [76].

Установлены также упрочняющие эффекты термомеханического нагруже­ния контактных площадок инструмента при его эксплуатации на менее нагру­женных по сравнению с рабочими режимами резания. Такое упрочнение инст­румента обычно называют тренировкой [116].

Методы объемного упрочнения (динамические [84] и статические [64, 75]) обычно требуют сложного оборудования и имеют длительный цикл обработки, что отчасти компенсируется возможностью многократного перетачивания ин­струмента с сохранением эффектов упрочнения.

Перспективными следует считать методы импульсного воздействия на ма­териал. В частности, это относится к упрочнению инструментальных материа­лов энергией взрыва при импульсном приложении нагрузки. При импульсном приложении нагрузки эффекты упрочнения сильно зависят от скорости при­ложения силы, которая влияет на температуру и фазовые превращения при одновременном поверхностном двойниковании, сдвигах, фрагментации и т. д. [11].

К методам поверхностного упрочнения могут быть отнесены отделочные операции, обеспечивающие удаление тонких поверхностных слоев инструмен­тального материала, относительно неглубокое пластическое деформирование, а также методы ППД, при которых удаляется небольшой поверхностный слой и одновременно формируется достаточно глубокий поверхностный слой с сильным механическим упрочнением.

Для упрочнения твердосплавного инструмента с целью увеличения его ре­жущих свойств предложены методы [72, 110, 127], которые обеспечивают близкие параметры качества поверхности, имеют сходный механизм форми­рования поверхностного слоя и повышения режущих свойств инструмента.

Методы виброабразивной обработки основаны на нанесении большого числа микроударов частицами наполнителя по рабочим поверхностям инст­румента, свободно загруженного в вибрирующий контейнер. Разработанная технология отличается преобладанием ударного микровоздействия и интен­сивным перемещением инструмента и наполнителя, что обеспечивает задан­ное изменение формы и микрорельефа лезвия, повышенный наклеп и от­сутствие макроразрушений.

Для упрочнения твердого сплава поверхностным деформированием также существует ряд методов. Наибольшей технологичностью обладают методы, обеспечивающие формирование упрочненного слоя стабильной толщины при отсутствии макроразрушений.

В работах [110, 111] предложена дробеструйная обработка твердосплавно­го инструмента с направлением струи дроби непосредственно на режущий клин инструмента. Максимальный эффект от дробеструйной обработки твер­досплавного инструмента достигается при использовании оптимальных раз­меров шариков дроби и оптимальных режимов обработки [111].

Повышение качества инструмента при механическом упрочнении обеспе­чивается за счет геометрических (округление кромок, округление вершин, ше­роховатость кромок, высота микронеровностей поверхностей, анизотропия и форма микрорельефа) и физических факторов (удаление тонких дефектных поверхностных слоев, повышение плотности дислокации и вакансий, создание мелкоблочной структуры, релаксация напряжений, возникновение сжимающих остаточных напряжений, аллотропические превращения, дисперсионное твердение). При этом увеличивается запасенная энергия поверхностного слоя, сглаживаются или «залечиваются» технологические концентраторы напряжений.

Определяющим фактором эффективности упрочнения является механизм отказов инструмента. При внутриконтакгном разрушении (выкрашивании) твердосплавного инструмента эффект определяется повышением прочности лезвия за счет его округления, а при законтакгном разрушении (поломке) — остаточными напряжениями сжатия и сужением зоны рабочих растягивающих напряжений за счет поворота силы резания. В целом, за счет скруглення ре­жущих кромок, увеличения радиуса при вершине, уменьшения шероховатости контактных поверхностей и растягивающих остаточных напряжений разру­шающая подача растет до 4 раз.

Установлено [110], что при хрупком разрушении упрочнение эффективно, а при абразивном и диффузионном — нецелесообразно в связи с незначитель­ным повышением твердости и ростом диффузионной активности наклепанного слоя. Упрочнение тяжело нагруженного инструмента уменьшает зону прира­ботки и повышает критическую величину износа, при котором начинается ката­строфическое изнашивание инструмента, за счет чего период стойкости уве­личивается до 2,5 раз.

При упрочнении инструмента повышается его надежность. Так, в работе установлено [111], что прочность и износостойкость упрочненного инструмента сильнее повышаются в начале и в конце периода стойкости, за счет чего раз­брос режущих свойств за период стойкости и их рассеивание снижаются. Эф­фективность упрочнения неперетачиваемого инструмента не зависит от номе­ра периода стойкости, перетачиваемого — несколько снижается по мере пере­тачивания инструмента вследствие наложения пластических деформаций от упрочнения и резания.

Обычно для получистовых и черновых резцов и фрез оптимальные режимы упрочнения обеспечивают рост периода стойкости в 1,3-1,8 раза, числа периодов стойкости (переточек) в 1,6-2 раза, полного периода стойкости — в 2-2,5 раза, или повышение производительности за счет увеличения подачи в 1,2 раза.

При выборе метода упрочнения учитывают прежде всего механизмы отка­зов инструмента. Значительная доля выкрашиваний, высокая интенсивность изнашивания в начале работы свидетельствуют о наличии дефектов изготов­ления, при этом рекомендуется виброабразивная обработка.

Высокая вероятность поломки, увеличение интенсивности разрушений к концу периода стойкости свидетельствуют об усталостных явлениях, здесь целесообразна дробеструйная обработка.

Если доля разрушений незначительная (чистовой инструмент) или интен­сивность изнашивания невысока (разрушения в связи с дефектом заготовок), упрочнение нецелесообразно.

Исследования надежности упрочненного инструмента при обработке ста­лей, авиационных сплавов, высокопрочного чугуна позволили указать области применения алмазного шлифования (АШ), алмазного округления (АО), вибро — абразивной обработки (ВО), дробеструйной обработки (ДО), износостойких покрытий (ИП) (табл. 12.1).

Особое значение приобретает отделочно-упрочняющая обработка перед нанесением износостойких покрытий. При оптимизации технологических пара­метров их совместное применение обеспечивает эффект, больший суммы ча­стных эффектов.

Это обусловлено благоприятным микропрофилем и физическим состояни­ем подложки, снижением разупрочняющего влияния процессов нанесения по­крытия, что предотвращает отслаивание покрытия и кромки за счет ее округ­ления и удаления дефектных слоев и оксидных пленок.

Устранение приработки и отдаление катастрофического износа обеспечи­вает стабильность покрытия на протяжении периода стойкости.

Применение твердых сплавов с износостойкими покрытиями без предвари­тельной обработки (очистки) эффективно лишь при чистовом точении сталей с подачей не более 0,2-0,3 мм/об.

Виброабразивная обработка перед нанесением покрытия обеспечивает дополнительное повышение периода стойкости в 1,5-2,5 раза, увеличение стабильности режущих свойств, расширение области эффективного примене­ния тяжелонагруженного инструмента.

Предварительная упрочняющая обработка твердосплавного инструмента, в том числе и в сочетании с покрытиями перед нанесением покрытия, широко применяется в мировой практике производства инструмента.

Химико-термическая обработка (ХТО). ХТО называют процессы, соче­тающие в себе термическое и химическое воздействие на рабочие поверхно­сти инструмента, с целью изменения состава, структуры и свойств поверх­ностного слоя инструментального материала.

Состав, строение и физико-механические свойства диффузионного слоя инструментального материала зависят от состава насыщающей среды, темпе­ратуры и продолжительности процесса ХТО.

Наилучшей средой с точки зрения активности насыщающего элемента яв­ляется газовая среда и, в частности, азот (азотирование), углеродосодержа­щие газы (цементация) или их смеси (карбонитрация, нитроцементация), а также бор (борирование).

ХТО (низко- или высокотемпературная) в газовой среде может привести к браку инструмента из-за чрезмерных линейных деформаций. Этого недостатка лишены методы ХТО в плазме электрического (тлеющего) газового разряда, в частности метод ионного азотирования. Сущность процесса ионного азотиро­вания заключается в обработке инструмента потоком ионов азота, в резуль­тате которой азот диффундирует на глубину от 100 до 1000 атомных слоев, образуя твердые растворы нитридов (а-, ує-фазьі).

Работоспособность инструмента после ХТО заметно улучшается. Так, стой­кость инструмента из быстрорежущих сталей Р18, Р6М5, Р9К5 (сверла, фре­зы, долбяки) повышается в 1,5-2 раза.

Физическое упрочнение. Среди методов физического упрочнения ре­жущего инструмента наибольшее распространение получили обработка ла­зером и ионная имплантация.

Лазерное упрочнение. Сущность лазерного упрочнения состоит в мощном импульсном (или непрерывном) воздействии светового пучка чрезвычайно большой плотности энергии, что вызывает локальный (мгновенный) нагрев по­верхности до высоких температур, превышающих не только температуры структурно-фазовых превращений металла, но и температуру плавления. С учетом чрезвычайно высоких скоростей охлаждения, которые в 10 — 100 раз превышают скорости охлаждения при закалке инструмента, в поверхности инструментального материала формируются особомелкозернистая или даже псевдоаморфная структура, имеющая повышенную (на 20-30%) твердость.

Инструмент с лазерным упрочнением применяется на заводах «Форд» (США), «Фиат» (Италия) и в СНГ, причем стойкость такого инструмента в 1,5-2 раза выше стойкости обычного.

Ионная имплантация. Сущность метода ионной имплантации (легирова­ния) режущего инструмента с целью повышения его работоспособности состоит в бомбардировке поверхности инструментального материала ионами, имеющими энергию около 5-40 кВт, в результате которой происходит внедре­ние ионов и атомов легирующего элемента.

Эффект упрочнения достигается как за счет роста плотности дефектов кристаллического строения инструментального материала, закрепления этих дефектов атомами легирующих элементов, так и за счет формирования до­полнительного количества мелкодисперсных карбидных, нитридных и интер­металлических структур. Следует отметить, что технология ионной импланта­ции с целью формирования прогнозируемых свойств поверхностного слоя ин­струментального материала является наиболее перспективной с точки зрения создания композиционных материалов с оптимальным набором поверхностных свойств.

Во второй половине 70-х годов в СССР были разработаны метод, оборудо­вание и технология ионной имплантации (модификации) рабочих поверхностей инструмента [79, 80].

Ионная имплантация позволяет увеличить стойкость инструмента в 1,5-4 раза без увеличения радиуса округления режущих кромок, что чрезвычайно важно для чистовых операций обработки резанием.

Некоторые результаты стойкостных испытаний имплантированных инстру­ментов, выполненных авторами [80], представлены на рис. 12.2, из которого следует, что имплантация дает эффект при резании материалов, существенно различающихся по своим свойствам, в том числе и труднообрабатываемых.

Технико-экономическая оценка этого эффекта в зависимости от режима обработки показала, что имплантация наиболее целесообразна при чистовых режимах.

Исследования модифицированного поверхностного слоя имплантирован­ного инструмента, выполненные с использованием современных физических методов [79, 80], свидетельствуют о наличии в нем изменений на макро-, мик — ро — и субмикроуровнях. Наиболее глубоко (до 0,5 мм) проникают радиацион­ные повреждения, сопровождающиеся увеличением плотности дислокации и, как следствие, повышением микротвердости.

В более тонком слое наблюдаются переориентация блоков мозаики в зер­нах карбидов и изменение параметра кристаллической решетки в кобальтовой фазе твердого сплава, свидетельствующее о дополнительном растворении в ней вольфрама. В этом слое также зафиксировано наличие атомов азота, ис­пользуемого при имплантации в качестве рабочего газа.

Наконец, в тончайшем слое (0,2-0,3 мкм), непосредственно прилегающем к поверхности, обнаружены молекулы высокопрочных теплостойких соединений имплантированных атомов и атомов основы типа нитридов, боридов и др. (в зависимости от состава ионного пучка). Рентгеноструктурные исследования показали также, что в микрообъемах твердого сплава формируются остаточ­ные напряжения сжатия, препятствующие зарождению микротрещин.

Анализ кривых зависимости износа от времени для имплантированных и неимплантированных инструментов показывает, что эффект имплантации проявляется как на участке начального, так и на участке нормального износа, причем величина начального износа намного превышает толщину тонкого ле­гированного слоя, которой она должна бы определяться.

С целью выяснения этого факта было проведено специальное исследова­ние [79] с применением Оже-спектрометрии.

На различных участках лунки износа по передней поверхности импланти­рованного резца, соответствующих разным моментам времени изнашивания, была определена концентрация имплантированных атомов циркония и молиб­дена. Оказалось, что по мере изнашивания пик концентрации внедренных атомов смещается вглубь, благодаря чему имплантированная примесь сох­раняется в поверхностном слое в течение примерно всего периода начального износа. Обнаруженный эффект объясняется термически стимулированной диффузией вглубь от поверхности, обусловленной высокими температурами и температурными градиентами в контактном слое инструмента. Этот результат хорошо увязывается с возрастанием эффекта имплантации с повышением температуры резания, наблюдаемого на рис. 12.2.

Упрочнение за счет приработки инструмента. Изменение свойств инст­рументального материала определяется условиями нагружения при упрочне­нии: степенью и скоростью деформации, интенсифицирующими процессы уп­рочнения, и температурой, стимулирующей процессы разупрочнения [116]. Ф. Я. Якубовым было установлено, что при резании уровень скрытой поверх­
ностной энергии достигает 0,5-3,0 % и этой энергии достаточно для прояв­ления эффектов упрочнения.

С учетом того, что процесс резания оказывает сложное энергетическое воздействие на контактные площадки режущего инструмента, энергозатраты на пластическую деформацию (упрочнение) и выделенной при этом теплоты (разупрочнение) аккумулируются в виде дефектов кристаллического строения, в том числе и линейных дефектов (дислокации). Если создать условия ре­зания, при которых будет превалировать деформационное упрочнение, то процесс резания может быть рассмотрен как процесс деформационного уп­рочнения контактных площадок инструмента, приводящих к повышению их из­носостойкости.

В работе [116] показана возможность термодеформационного упрочнения режущего инструмента путем приработки (при определенных режимах реза­ния), которая является естественным процессом термомеханического воздей­ствия на контактный объем инструментального материала, в результате ко­торого формируется структура, максимально приспособленная к заданным ре­жимам работы.

Установлено превалирующее влияние процесса приработки инструмента на формирование износостойкого слоя контактных площадок инструмента
из быстрорежущей стали (термодеформационное упрочнение) по сравнению с такими параметрами, как геометрия поверхности (шероховатость) и ее дефекты (дефектный слой, прижоги), которые формируются при заточке инст­румента.

Таким образом, метод повышения эффективности инструмента путем ис­пользования приработки на менее жестких режимах резания является простым технологическим методом, который может быть использован в промыш­ленности.