Анализ конструкторских особенностей детали "Втулка" и технических условий ее изготовления, страница 19

В настоящее время промышленность производит относительно большое количество режущих инструментов с покрытием. Однако их эффективность еще недостаточно велика из-за отсутствия научно обоснованных рекомендаций по применению такого инструмента и из-за некоторых особенностей его производства, а также данных по выбору состава и параметров покрытия.

Работоспособность режущего инструмента может быть повышена за счет такого изменения поверхностных свойств инструментального материала, при которых контактные площадки инструмента будут наиболее эффективно сопротивляться абразивному, адгезионно-усталостному, коррозионно-окислительному и диффузионному видам изнашивания как при комнатной, так и при повышенной температуре. При этом инструментальный материал должен одновременно обладать достаточным запасом прочности при сжатии и изгибе, приложении ударных импульсов и знакопеременных напряжениях. Перечисленные свойства инструментальных материалов обычно являются взаимоисключающими, поэтому создание инструментального материала, обладающего идеальным комплексом указанных свойств в объеме однородного тела, практически не представляется возможным. Большинство инструментальным материалом обладает только частичным набором указанных свойств, что делает область их служебного назначения весьма ограниченной. Например, сверхтвердые инструментальные материалы (синтетически и натуральные алмазы, эльбор и др.), а также керамика (Al2O3), керметы (Al2O3 – TiC), сиалоны (Al2O3 – SiN4) и др. обладают повышенной твердостью, износостойкостью и относительно высокой теплостойкостью. Их можно использовать для изготовления инструментов, наиболее эффективная область применения которых – чистовая обработка деталей при высоких и сверхвысоких скоростях резания с ограниченным сечением среза. Последнее связано с низким значением ударной вязкости, повышенной хрупкостью и малой прочностью при изгибе сверхтвердых инструментальных материалов.

По мере увеличения содержания карбидов титана (TiC) и вольфрама (WC) значительно увеличивается износостойкость для твердых сплавов ВК (WC – Co) и ТК (WC – TiC – Co), которая сохраняется при повышенных температурах. Это способствует значительному повышению работоспособности инструментов, изготовленных из указанных сплавов при повышенных скоростях резания. Однако эффективность таких инструментов резко снижается по мере увеличения толщины срезаемой стружки. В этих условиях значительно лучше работают твердосплавные инструменты с повышенным содержанием кобальта. Инструменты из быстрорежущих сталей имеют большое преимущество при малых и средних скоростях резания в сочетании со средними и большими сечениями среза.

На рисунке 1 представлена классификация существующих инструментальных материалов по их прочности и твердости. Нанесение покрытий на инструментальный материал позволяет создать на поверхности необходимый комплекс свойств с сохранением исходных свойств в объеме инструментального материала. Таким образом, инструментальный материал с покрытием можно рассматривать как принципиально новый тип композиционного материала с оптимальным сечением заданных «поверхностных» и «объемных» свойств.

На рисунке 16 идеализированная схема многослойного композиционного покрытия для режущих инструментов, которая позволяет уяснить общий подход к проблеме создания многослойного композиционного покрытия.

Рассмотрим схему, приведенную на рисунке 16. Слои 5, непосредственно примыкающие к инструментальному материалу, должны обеспечивать прочную связь покрытия с рабочими поверхностями инструмента. Очевидно, в этом случае кристаллохимическое строение слоя и инструментального материала должно быть предельно идентично. В частности, размеры атомов должны подчиняться «правилу 15%» Юм-Розери, параметры решетки должны примерно совпадать, сингония кристаллов должна быть идентичной. Вместе с тем здесь необходимо и ограничение: «система слой 5 – инструментальный материал» не должна давать хрупких интерметаллидов при температурах резания, т.е. должны подчиняться общим требованиям, предъявляемым к покрытиям. Наиболее важным является «совместимость» теплофизических свойств. В частности коэффициентов термического расширения (КТР) соединения слоя 5 и инструментального материала, а также примерное равенство коэффициентов теплопроводности.

Желательно, кроме того, чтобы физико-химические свойства указанной пары также были приблизительно одинаковы, особенно модули упругости Е, модули сдвига G, коэффициенты Пуассона μ.

Слой 1, непосредственно контактирующий с обрабатываемым материалом, прежде всего должен иметь низкую склонность к физико-химическому взаимодействию с обрабатываемы материалом, т.е. служить своеобразным барьером твердофазным и жидкофазным диффузионным реакциям  между инструментальным и обрабатываемым материалом. Кроме того, слой должен достаточно хорошо сопротивляться высокотемпературной коррозии и окислению. Должен хорошо сопротивляться хрупкому разрушению в условиях усталости. Назначение слоев 2 и 4 – осуществлять связь между слоями 5, 3 и 1, несущими основную функциональную нагрузку. Наконец слой 3 может осуществлять чисто барьерные функции (например, увеличивать термодинамическую устойчивость покрытия в целом, увеличивать или снижать его теплопроводность и т.д.).

Одним из важнейших параметров покрытия, оказывающих сильное влияние на работоспособность режущего инструмента, является его толщина.

Выбор оптимальной толщины покрытия во много определяется свойствами инструментальной матрицы. В результате увеличения жесткости и способности матрицы сопротивляться термопластической деформации возрастает эффективность покрытий.