Возможность широкого изменения поверхностных свойств многослойно­композиционного покрытия позволяет рассматривать такое покрытие как уни­кальную промежуточную среду, способную не только положительно влиять на свойства инструментального материала, но и управлять процессом резания за счет трансформации его основных характеристик. К таким характеристикам можно отнести длины полного С и пластического Сі контакта, коэффициенты трения (средние) по передней ]ьц, и задней поверхностям, углы сдвига (ру и действия (о, усадку <;, силы резания Pz, Рх и Ру, высоту контактной зоны /тк, нап­ряжения в плоскости сдвига тф, стф, передней qF, Яы и задней qm поверхностях, температурные поля в режущей части инструмента и зоне резания.

Рассмотрим основные особенности такой трансформации.

Обобщенные представления о трансформации областей пластических де­формаций металла, происходящих при резании конструкционных сталей инст­рументом с покрытием (применительно к формированию сливной стружки) представлены на рис. 12.13.

Данные получены на основе анализа микрофотографий метал­лографических шлифов неразрушенных контактных зон прирезцовой части стружки и микроснимков контактных площадок инструмента [17].

Покрытие (типа TiC, TiN) на рабочих поверхностях инструмента приводит к заметному снижению (на 40-60% ) длин контакта, коэффициентов трения (на 10-15%), усадки стружки (на 20-30%), сил резания (на 20-30%) и увеличению угла наклона плоскости сдвига фу. Отмечено сильное уменьшение размеров области контактных деформаций и сужение зоны стружкообразования OLM (см. рис. 12.13). Установленная трансформация пластических областей для инструмента с покрытием обусловлена снижением внешнего трения и приво­дит к перераспределению тепловых потоков за счет снижения мощности ос­новных источников теплоты [17].

Важную роль играет снижение степени легирования локальных объемов обрабатываемого материала на участке пластического контакта. Именно на этом участке реализуются наиболее активные диффузионные процессы, сильно влияющие на сопротивляемость срезаемого слоя пластическому сдвигу [22]. Снижение степени легирования срезаемого слоя, по-видимому, является еще одной причиной уменьшения напряжений сдвига в плоскости сдвига и на передней поверхности. Здесь проявляется роль покрытия как ак­тивного тормоза (а в некоторых случаях и барьера) взаимной диффузии ато­мов инструментального и обрабатываемого материалов.

Существенное снижение длин полного и особенно пластического контакта, уменьшение высоты области контактных деформаций, сближение границ об­ласти главных деформаций OLM способствуют стабилизации пластических деформаций и стружкообразования, а также формированию приповерхностных слоев обработанной поверхности детали в более благоприятных условиях.

О стабилизации процесса стружкообразования при использовании инстру­мента с покрытием свидетельствует изменение спектра колебаний динамиче­ской системы станка.

Характер изменения амплитудно-частотных характеристик динамической системы станка мод. 16П6-1 при точении стали 40Х (НВ 200) инструментом с покрытием и без покрытия показан на рис. 12.14.

В частности, из этих данных следует, что амплитуда Аср вибро — акустического сигнала низкочастотного спектра (0,5-16 кГц) при использовании твердосплавных пластин с покрытием заметно снижается.

Влияние состава покрытия на контактные площадки инстру­мента в значительной степени за­висит от условий обработки. По мере роста толщины среза (пода­чи), разница между контактными характеристиками, напряжениями сдвига и нагрузками на инструмент все больше нивелируется для ин­струмента с покрытием и без по­крытия.

Заметное влияние на характе­ристики стружкообразования и контактные процессы оказывает и кристаллохимическое строение покрытия.

Здесь следует отметить сле­дующее. Как показано в работе [26], соединения тугоплавких ме­таллов VI группы (нитриды, карби­ды, карбонитриды и т. д.) имеют весьма узкие области гомо­генности, что обуславливает гете — рофазность их строения. Такие соединения характеризуются низкой склонностью к адгезии с конструкцион­ными сталями, титановым и никелевым сплавом. Как показано в работе [17], покрытия CrN и MoN при температурах 20-500°С максимально снижают силу трения в парах со сталями 38ХС, 45, 35ХГСА, 40Х, 36ХНТ10 и сплавами ХН77ТЮР, ВТ14, ВТ20. Однако термостабильность этих покрытий при нагреве свыше 600-700°С резко снижается. С учетом больших возможностей гетеро — фазных соединений, а также их относительно низкой термостабильности, была разработана методика получения гетерофазных покрытий повышенной термо­динамической устойчивости. Это достигалось, например, введением в состав соединений типа CrN, MoN тугоплавких металлов IV-V групп. Для покрытий подобного типа, как показано в работах [17, 22], характеристики стружкообра­зования и контактных процессов трансформируются наиболее благоприятным образом, особенно для систем двойных и тройных нитридов типа (Ti, Cr)N, (Ті, Mo)N, (Nb, Zr)N, (Ti, Nb, Cr)N, (Zr, Nb, Cr)N, (Zr, Nb, Mo)N. Подобные покрытия обычно называют композиционными.

Сложной задачей является выбор сЬстава покрытия для труд­нообрабатываемых материалов, так как благоприятное изменение контактных процессов и параметров стружкообразования сильно зависит от состава по­крытия [23]. В частности, покрытия TiC и TiN даже несколько ухудшают кон­
тактные характеристики стружкообразования при резании труднообрабаты­ваемых сплавов ВТ20 и ХН77ТЮР. Положительный результат был получен при использовании композиционных покрытий, нанесение которых на режущий инструмент позволило при обработке сложнолегированных сплавов ВТ20 и ХН77ТЮР заметно улучшить характеристики стружкообразования и контакт­ных процессов (рис. 12.15).

При точении слава ХН77ТЮР твердосплавными пластинами ВКб с покры­тием (Ti, Cr)N, содержащим 25% Сг, заметно положительно трансформируются характеристики стружкообразования и контактных процессов по сравнению с соответствующими показателями для пластин ВК6 без покрытия или с покры­тиями TiC, TiN или с двухкомпонентным покрытием (Ti, Cr)N неоптимального состава (рис. 12.15). Аналогичный результат получен при точении сплава ВТ20 пластинами ВК6 с покрытием (Zr, Nb)N с содержанием ZrN около 20% [23].

Рис. 12.15. Влияние содержания Ті и Сг в двухэлементном по­крытии (Ті, Cr)N, наносимом на сплав ВК6, на характеристики контактных процессов и стружкообразования при точении сплава ХН77ТЮР (/=1 мм; а = 0,14 мм; v = 24 м/мин):

1 — Су, 2 — 3 “ |Ду, 4 — фу, 5 — Су,

Влияние на контактные процессы оказывает и структура покрытия. Лучшие результаты обеспечивают ионно-плазменные покрытия TiN КИБ, имеющие сглаженную поверхностную структуру, характерную для плотноупакованных, супермелкодисперсных столбчатых кристаллов (рис. 12.16 ), по сравнению с покрытием TiC, получаемым методами ГГ (сравни рис. 12.4,12.8).

Более благоприятное изменение характеристик стружкообразования и контактных процессов обеспечивают также наружные слои TiN много­компонентных покрытий TiC-TiCN-TiN. Это связано с более высоким каче­ством поверхностного слоя этих покрытий (меньшая шероховатость, текстури — рованное мелкоразмерное зерно).

(см. табл. 12.2) имеют характеристики стружкообразования и контактных про­цессов на уровне пластин с покрытием TiC-TiCN-TiN из-за полной идентично­сти составов, структуры и морфологии поверхностных слоев TiN.

Полученные результаты свидетельствуют о возможности управления ха­рактеристиками стружкообразования и контактных процессов также и с помо­щью изменения состава покрытия за счет варьирования технологическими условиями его получения. При этом необходимо учитывать способность по­крытия сопротивляться хрупкому разрушению.

Особенности изнашивания и работоспособность инструмента с по­крытием. Изучению механизма и особенностей изнашивания инструмента с покрытием для достаточно широкого изменения условий резания посвящено большое число работ, выполненных в РФ и за рубежом [1, 2, 7, 15-24, 31, 39, 40, 42, 66, 68, 70, 88, 94, 104, 123].

Покрытие заметно трансформирует характер изнашивания контактных площадок инструмента из быстрорежущей стали. Анализ кривых h3 ~ f(T) по­зволяет отметить заметное снижение интенсивности изнашивания контактных площадок инструмента из быстрорежущей стали с покрытием на стадиях при — работочного и установившегося изнашивания. Изменяется кинематика форми­рования лунки и снижается интенсивность лункообразования. Для инструмента с покрытием отмечается практически полное блокирование развития лунки в направлении режущей кромки, что замедляет наступление стадии катастрофи­ческого износа инструмента за счет «выхода лунки» к режущей кромке.

Обобщенные кривые h3 = f(T) для твердосплавных пластин с различными вариантами покрытий при продольном точении и симметричном фрезерова­нии, полученные в результате статистической обработки большого числа экс­периментов (20-50 дублей), свидетельствуют об изменении формы кривых износа h3 = f(T) для твердосплавных пластин с различными вариантами покры­тий. Покрытие снижает интенсивность изнашивания пластин на этапах прира — боточного и установившегося изнашивания, уменьшает (на 40-50%) время приработки инструмента. Еще одной особенностью функции h3 = f(T) является проявление катастрофического изнашивания твердосплавного инструмента с любыми вариантами покрытий при значительно меньших предельных величинах износа задней поверхности. Причем для твердосплавных пластин с покрытием, полученным методом CVD, ускорение изнашивания наступает при критических значениях износа h3 составляющих (0,2-0,3) величины изно­са /}3 для пластин без покрытия, в то время как для пластин с покрытием PVD эта величина составляет (0,4-0,6) [17].

Выявление особенности изнашивания инструмента из твердого сплава с различными вариантами покрытий предопределяют области их эффективного использования при металлообработке.

Покрытия однослойного типа на основе нитридов тугоплавких элементов IV-VI групп Периодической таблицы и, в частности, покрытие однослой­ного типа TiN увеличивают среднюю стойкость режущего инструмента
из быстрорежущей стали типа Р6М5 в 2-5 раз (рис. 12.17).

Эффективность инструмента с покрытием заметно возрастает с ростом скорости резания и снижением подачи. При подачах свыше 0,7 мм/об разни­ца в стойкости быстрорежущего инструмента с покрытием и контрольного сильно нивелируется [22]. Отмеченные положения принципиально сохраняют­ся и для других операций механообработки резанием: сверлении, симмет­ричном торцовом фрезеровании. Эффективность однослойных покрытий TiN снижается в условиях обработки приводящих к формированию нароста (на­пример точение конструкционных сталей с v= 25-30 м/мин, S= 0,3-0,7 мм/об).

Как показано в работе [22], это связано с неустойчивостью на — ростообразования, появлением низкочастотных вибраций, приво­дящих к весьма интенсивному усталостному (хрупкому) разру­шению покрытий.

При точении и фрезеровании изделий из чугуна максимальную стойкость имели пластины с многослойным покрытием ТІС — TiCN-TiN CVD (пліастиньї МС 3215, Gm 35) и пластины со спе­циальным композиционным по­крытием TiN КИБ.

При точении стали (области применения РЮ-РЗО) наиболь­шую стойкость имели пластины МС2215, ВП1255 (покрытие ТІС — TiCN-TiN), пластины GC435 (ТІС — AI203-TiN) (рис. 12.18).

С ростом толщины среза (по­дачи) (области К30-К40, Р30-Р50) эффективность твердосплавных пластин с любыми вариантами покрытий снижается, однако в меньшей мере это относится к пластинам с ион­но-плазменными покрытиями КИБ [22].

Это положение хорошо согласуется с приведенными выше данными по прочности твердых сплавов с покрытием.

В соответствии с этими данными высокотемпературные процессы CVD приводят к формированию хрупкой переходной зоны между покрытием и спла­вом «г|-фазы», приводящей к декарбидизации последнего, вследствие чего
отмечается снижение прочности твердого сплава на изгиб, а также на ударно­циклическое приложение нагрузки [22].

Преимущества твердосплавных пластин с ионно-плазменными покрытиями КИБ (PVD), которые имеют максимальные прочностные характеристики, опре­деляемые характером формируемой связи между покрытием и твердым спла­вом, а также благоприятным влиянием ионной бомбардировки на поверхно­стную структуру и дефекты твердого сплава непосредственно перед нане­сением покрытия, особенно наглядно проявляются при прерывистом резании (рис. 12.19), а также при черновой обработке в тяжелых условиях (наличие корки, колебания припусков, нежесткость технологической системы и т. д.) [20].

7, мин

Таким образом, режущий инструмент с износостойким покрытием можно использовать с максимальной эффективностью на скоростях резания, пре­вышающих на 20-60% скорости резания для обычного инструмента, при этом целесообразно использовать низкие и средние значения подач.

Полученные данные полностью соответствуют изложенным выше особен­ностям термомеханического нагружения контактных площадок инструмента
с покрытием. Действительно, возможность использования высоких скоростей резания для инструмента с покрытием связана со снижением уровня термо­механического нагружения контактных площадок (уменьшение температур, трения, контактных напряжений, снижение интенсивности физико-химических процессов). Вместе с тем неудовлетворительные результаты использования инструмента с покрытием для операций тяжелого, прерывистого резания объ­ясняются плохой сопротивляемостью сравнительно хрупких покрытий разру­шению в условиях циклических нагрузок, склонности режущей части инстру­мента к упругим прогибам и пластическим деформациям.

Эффективность режущего инструмента с покрытием в значительной сте­пени определяется оптимальностью состава покрытия для заданного обраба­тываемого материала. В табл. 12.5 представлены рекомендуемые составы по­крытий для широкого диапазона условий обработки и гаммы обрабатываемых материалов.

Данные о скоростях точения и фрезерования (стали 45, НВ=1800 МПа) инструментом без покрытия и с покрытием свидетельствуют не только о воз­можности снижения себестоимости операции механообработки, но и повыше­ния оптимальной скорости резания на 20-60% для инструмента с износостой­ким покрытием.

Вопросы для самопроверки:

1. Приведите классификацию методов поверхностного упрочнения ин­струментальных материалов по энергетическим затратам и временному фактору.

2. В чем суть методов химико-термической обработки с целью упроч­нения?

3. В чем суть методов физического упрочнения режущих инстру­ментов?

4. В чем проявляется влияние приработки инструмента на его стой­кость?

5. Охарактеризуйте методы химического осаждения покрытий на по­верхности режущих инструментов.

6. В чем суть метода термодиффузионного насыщения?

7. Охарактеризуйте методы физического осаждения покрытий.

8. Каковы структуры и фазовые составы основных типов инструмен­тальных покрытий?

9. Какое влияние оказывает давление азота на свойства нитридотита­новых покрытий?

10. Как выбирается оптимальная толщина покрытия?

11. Опишите влияние покрытий на трансформацию зоны деформации при резании и на основные характеристики процесса стружкообразования.