Разработка многослойных покрытий режущего инструмента на основе методики расчета их трещиностойкости

• Автор: Тулисов, Александр Николаевич
• Шифр специальности: 05.02.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Ульяновск
• Количество страниц: 232 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПЕРАЦИЙ
ТОЧЕНИЯ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ
1.1. Современные методы нанесения износостойких покрытий и
эффективность их применения для режущего инструмента
1.2. Пути совершенствования режущего инструмента с
износостойкими покрытиями
1.3. Характер разрушения покрытий в процессе резания
1.4. Методы оценки трещиностойкости износостойких покрытий
1.5. Выводы. Цель и задачи исследований
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Инструментальные и обрабатываемые материалы
2.2. Оборудование для нанесения покрытий
2.3. Исследование параметров структуры и механических свойств
покрытий
2.4. Исследование работоспособности режущего
инструмента с покрытием
2.5. Статистическая обработка результатов экспериментальных
исследований
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЦИКЛИЧЕСКОЙ
ТРН11ДШОСТОЙКОСТЙ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ
3.1. Методика расчета трещиностойкости многослойных покрытий
3.2. Оценка трещиностойкости многослойных покрытий
3.3. Выводы
Г ЛАВА 4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ
4.1. Выбор схемы многослойного покрытия и состава его слоев
4.2. Исследование влияния конструкции многослойных покрытий на
трещиностойкость
4.2.1. Исследование напряженного состояния и трещиностойкости
многослойных покрытий
4.2.2. Исследование влияния конструкции многослойного покрытия
на трещиностойкость
4.3. Технология нанесения многослойных покрытий на основе
модифицированного нитрида титана

4.4. Исследование структурных параметров и механических свойств многослойных покрытий
4.4.1. Исследование влияния конструкции многослойного покрытия на структурные параметры
4.4.2. Исследование влияния конструкции многослойного покрытия на механические свойства
4.5. Исследование влияния конструкции многослойного покрытия на интенсивность износа режущего инструмента
4.6. Выводы
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ РЕЖУЩЕГО
ИНСТРУМЕНТА С МНОГОСЛОЙНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ
5.1. Исследование контактных характеристик процесса резания
5.2. Исследование теплового состояния режущего инструмента
5.3. Исследование напряженного состояния режущего инструмента
5.4. Исследование работоспособности режущего инструмента
5.5. Опытно-промышленные испытания режущего инструмента с многослойными покрытиями
5.6. Технико-экономическое обоснование применения режущего инструмента с разработанными многослойными покрытиями
5.7. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
Повышение работоспособности режущего инструмента — одна из актуальнейших проблем машиностроения. Интенсификация производства, повышение качества выпускаемой продукции, внедрение новых технологических процессов требуют широкого использования в промышленности автоматизированного станочного оборудования, высокая производительность которого может быть достигнута только при наличии инструмента высокого качества. При этом роль инструмента в повышении эффективности производства возрастает: например, в США за счет использования прогрессивного режущего инструмента и металлорежущего оборудования экономится около 15 млрд. долларов.
В отечественном инструментальном производстве и за рубежом широко применяются различные методы повышения износостойкости поверхностей режущего инструмента (радиоактивным излучением, лазером, насыщение поверхностей различными элементами с целью образования на поверхности слоя карбидов или нитридов различных элементов и др.). Наиболее перспективным в этом отношении является метод повышения стойкости режущего инструмента за счет нанесения износостойких покрытий на основе карбидов, нитридов и карбонитридов тугоплавких материалов. Данное направление интенсивно развивается применительно к режущему инструменту из быстрорежущих сталей и твердых сплавов. В отечественной промышленности наибольшее распространение получил метод конденсации вещества из плазменной фазы с ионной бомбардировкой (метод КИБ).
В настоящее время довольно широко исследованы области эффективного использования режущего инструмента с износостойкими покрытиями КИБ при токарной и фрезерной обработке, разработаны различные композиции как однослойных, так и многослойных покрытий различного состава, а также научные принципы их построения. Установлено, что нанесение износостойкого покрытия сложного состава повышает эффективность режущего инструмента, увеличивая период стойкости режущего инструмента в 1,5-3 раза по сравнению с покрытием Т1Ы в зависимости от состава покрытия, обрабатываемого материала и режима резания. Ещё более эффективны многослойные покрытия, включающие слои различного функционального назначения. Так, для непрерывного резания предложен принцип построения многослойного покрытия, при котором покрытие

В работе [26] предлагается конструкция покрытия из чередующихся слоев 77 и ПЫ. Варьируя толщиной мягких слоев можно изменять градиент релаксационных свойств покрытия, а предварительное нанесение на основу слоя чистого титана позволяет получить высокую сцепляемость многослойного покрытия с основой.
В работе [105] исследовано влияние многослойного покрытия из чередующихся слоев ТIЫ-Мои Т1Ы-МоН/Ы-ТТА/, нанесенных на пластины из твердого сплава ВК6 и ВК8. Толщина слоев составляла примерно 0,3 мкм при общей толщине покрытия 6 — 7 мкм. При обработке стали 36НХТЮ период стойкости режущего инструмента с такими многослойными покрытиями повысился в 2,4 - 2,9 раза.
Для повышения прочности сцепления покрытия с инструментальной основой из быстрорежущей стали в работе [139] предложено создание между ними переходного адгезионного слоя, содержащего элементы материалов основы и покрытия. Химическое сродство такого слоя с материалом как износостойкого покрытия, так и инструментальной основой уменьшает градиент напряжений между ними и повышает прочность сцепления покрытия и инструментального материала, что способствует повышению работоспособности режущего инструмента в 3,6 - 6,0 раз на операциях точения, сверления и зенкерования.
Применение комбинированного покрытия, состоящего из нижнего слоя 77С, осаждаемого методом ГТ, что позволяет обеспечить высокую прочность сцепления покрытия с основой, мягкого промежуточного слоя из 77, Ег или МЬ и верхнего из 2гЫ, осаждаемого методом КИБ, способствует повышению периода стойкости инструмента при фрезеровании углеродистой стали до 2,0 - 2,5 раз [106].
Применение многослойных композиционных покрытий позволяет использовать в качестве материалов покрытий весьма хрупкие и кристаллохимически несовместимые с инструментальным материалом системы, обладающие наибольшей термодинамической устойчивостью. Такие системы (А120з, Н/В2, ЫЬВ2, б'г'з/Д) способны сохранять высокую твердость и инертность при повышенных температурах [6].
Анализ литературных данных показывает также, что применение режущего инструмента с многослойными покрытиями существенно повышает их эффективность по сравнению с однослойными покрытиями. При этом лучшими физико-механическими свойствами обладают многослойные покрытия, в которых используются нитриды тугоплавких металлов, дополнительно легированные элементами других металлов (А1, 57, 2г и другие), по сравнению с многослойными покрытиями, в которых используются нитриды более простого состава.