Анализ путей снижения затрат на инструмент в машиностроительном производстве

5.1 Типы износостойких покрытий.

Качественные  изменения в изготовлении режущего инструмента связаны с интенсивным  развитием в конце прошлого века ионно-плазменных технологий нанесения износостойких покрытий. На мировом рынке технологий по упрочнению поверхности инструмента всегда наиболее широко были представлены два метода: метод химического осаждения (Chemical Vapour Deposition — CVD) и метод физического осаждения покрытий (Physical Vapour Deposition — PVD). В нашей стране более широкое промышленное применение получили PVD способы нанесения защитных покрытий. Дело в том, что технологии CVD подразумевают использование дорогостоящих высокочистых химических реагентов (TiCl 4, NH3 и т.д.) и прецизионных дозаторов химических прекурсоров, точный контроль продуктов химических реакций в рабочей камере и т.п. А нанесение PVD окрытий при помощи дугового или тлеющего разряда (магнетронa) обладает большей производительностью и нестоль чувствительно к незначительным отклонениям технологических параметров.

Каждый из применяемых  методов физического осаждения  имеет свои преимущества и недостатки, поэтому широкое распространение  в последнее время получили различные  гибридные методы напыления. Общие требования к этим технологиям - отсутствие селективного распыления мишеней, высокая степень ионизации и управляемая энергетика потока, а также возможность ионной очистки подложки. Многообразие применяемых в настоящее время способов физического осаждения износостойких покрытий укладывается в общую схему: испарение или ионное распыление титана или его сплавов, ионизация и гетерогенная реакция на поверхности инструмента атомов и ионов металла и реакционного газа (например, азота), приводящая к формированию нитридных, карбидных, карбонитридных и других покрытий.

Структуру и  адгезию покрытий, а также их эксплуатационные характеристики определяет целый ряд  факторов: повышение степени ионизации, скорости и плотности потока напыляемых частиц, оптимизация температуры нанесения покрытий, применение ионной очистки подложки, ускоряющих напряжений (смещения) и др. Тот или иной материал покрытия (химический состав) сам по себе не может являться гарантией повышения износостойкости. Различные режимы нанесения, конфигурация технологической оснастки, проведение предварительного ионного травления или легирования и многие другие особенности определяют структуру самих покрытий и строение межфазной границы «покрытие — подложка».

В начале 80-х  годов прошлого века начали применяться и сразу же продемонстрировали экономическую эффективность покрытия TiN. Следующим шагом было создание двухслойных покрытий, состоящих из последовательно нанесенных слоев карбида титана TiC или карбонитрида титана TiCN и тонкого поверхностного слоя оксида алюминия Al2O3. Альтернативным вариантом служили многослойные покрытия типа TiC TiCN TiN. Причем понятие «многослойные» во многих случаях весьма условно, поскольку методы напыления позволяют добиться отсутствия четко выраженных межфазных границ между слоями, а также между покрытием и подложкой. Многослойные износостойкие твердые покрытия обладают повышенной трещиностойкостью, улучшенной адгезией, высокой ударной прочностью, меньшим уровнем внутренних напряжений и напряжений на границе «покрытие — подложка» вслед ствие выравнивания коэффициентов термического расширения. Например, покрытие TiCN имеет многослойную двухфазную структуру TiN–TiCN, что увеличивает прочностные и вязкостные характеристики по сравнению с покрытием TiN.

В последнее  десятилетие разработаны и широко применяются различные комбинации покрытий с применением тонких внешних твердосмазочных покрытий (например, TiAlN/MoS2), обеспечивающих эффективный вынос стружки и идеальную приработку инструмента. Активно ведутся разработки аморфных углеродных покрытий в различных модификациях. Низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью обладают высокотвердые алмазоподобные покрытия (diamond like carbon coatings — DLC). Однако у них имеется серьезный недостаток: очень высокий уровень внутренних напряжений, приводящий к охрупчиванию и отслаиванию при высоких контактных нагрузках и ограничивающий их эффективную толщину до ~ 1 мкм. Еще одно проблемное свойство таких покрытий— низкая теплопроводность, которая может приводить к их локальной графитизации с последующим вымыванием. Верхний рабочий температурный предел ограничен ~250 °C, и требуется применение смазывающих охлаждающих жидкостей (СОЖ). Покрытия кубического нитрида бора (CBN) также обладают высоким уровнем внутренних напряжений, ограничивающих их толщину до ~ 0,1 мкм. 

2. Механизмы износа инструмента

Понятно, что  тонкие износостойкие покрытия не могут  существенно влиять на износ инструмента  с невысокими механическими характеристиками. В этом случае поверхностны свойства нивелируются до уровня объемных механических свойств инструмента. Проще говоря, высокотвердый тонкий слой покрытия на мягкой или недостаточно прочной подложке работать не будет. Сразу отметим, что малоэффективно нане сение износостойких покрытий на режущий инструмент из углеродистых нелегированных инструментальных сталей У8(У8А) — У13 (У13А), которые не обладают высокой теплостойкостью (170—250 °С). Механизмы износа, при которых оправдано применение износостойких покрытий, имеют место преимущественно при высоких скоростях обработки. В случае применения покрытий для данного типа инструмента можно говорить о предотвращении ими окислительного изнашивания, обусловленного взаимодействием кислорода с материалом инструмента. В свою очередь, сверхтвердый алмазный инструмент, режущая оксидная керамика, кубический нитрид бора и т.п. используются в основном для финишной обработки. Покрытия здесь, как правило, не наносят, так как их твердость, трибологические свойства и химическая стойкость не превосходят аналогичные свойства материала инструмента. 

Износ режущего инструмента может быть уменьшен предварительным нанесением износостойких  покрытий только в том случае, если изначально в технологический процесс  механической обработки не заложены следующие механизмы фатального разрушения материала самого инструмента:

• пластическая деформация, возникающая при неправильном подборе соотношения нагрузки на инструмент и твердости материала инструмента;
• макроскалывание, возникающее при неправильно подобранном соотношении нагрузки и вязкости (пластичности) инструмента;
• трещинообразование, возникающее в результате несоответствия нагрузки на инструмент его ударной вязкости. 

Эффективность применения износостойких покрытий также существенно снижается  при использовании несовершенного станочного оборудования или же при режимах обработки, предопределяющих ударное механическое разрушение инструмента. К сожалению, изношенность станочного парка многих металлообрабатывающих предприятий сводит преимущества такого инструмента к минимуму.    

Режущий инструмент, на который наносится покрытие, должен быть сам по себе достаточно прочным, вязким и теплостойким, а также обладать высокой твердостью режущей кромки, превышающей твердость обрабатываемого материала, плюс высокой адгезионной и абразивной износостойкостью.

Износостойкие химически инертные покрытия наиболее целесообразно наносить на быстрорежущие стали и, в особенности, на высокотвердый высокопрочный металлокерамический вольфрамо-карбидный и титано-вольфрамо-карбидный твердосплавный (ТС) инструмент, применение которого в промышленно развитых странах приближается к 80%. Благодаря применению субмикронного карбида вольфрама (размер зерна менее 1,0 мкм) и износостойких покрытий удалось создать инструменты, которые с успехом используются для высокоскоростной обработки титановых сплавов, жаропрочных и нержавеющих сталей. Находят свое применение функционально-градиентные твердые сплавы на основе WC*Co с карбидными добавками (TiC, TaC и др.), механические и физические свойства которых меняются по сечению инструмента, что позволяет оптимизировать его сопротивление неравномерно распределенным локальным нагрузкам и износу.

Производители режущего инструмента регулярно  представляют на мировом рынке все  новые и новые марки твердых  сплавов и покрытий для различных  видов обработки. Не имеет смысла перечислять специфику и торговые марки огромного разнообразия предлагаемого металлообрабатывающего инструмента. Отметим только тот факт, что большинство инструментов (до 70%) выпускается с предварительно нанесенными покрытиями. Данной проблематике посвящены и многочисленные научные исследования. Предлагаются как оригинальные способы напыления покрытий, так и разнообразные архитектуры и химические составы самих покрытий, межфазных границ «покрытие — подложка» и границ между различными слоями, если покрытие многослойное.

Для определения  эффективности использования режущегоинструмента  с износостойким покрытием необходимо определить механизмы износа, присущие конкретному процессу обработки. Износ  рабочих поверхностей режущего инструмента  зависит от фиико-механических и химических свойств покрытия и обрабатываемого металла. Так, экспериментально установлено, что покрытие TiN по сравнению с покрытием TiC быстрее изнашивается при обработке чугунов, но является более стойким при повышенных скоростях обработки углеродистых сталей и других материалов. Скорость резания,распределение нагрузки на контактируемых поверхностях и наличие СОЖ определяют температуру резания, контактные напряжения, химические реакции в зоне резания и наличие диффузионных процессов между инструментом и обрабатываемым металлом.       

Можно выделить три основных механизма деградации инструмента, протекающих непосредственно  в зоне контакта с обрабатываемой поверхностью.

• Абразивное изнашивание боковой поверхности твердыми включениями (карбиды, зерна цементита, интерметаллиды, оксиды), воздействующими на поверхность инструмента.
• Диффузионное изнашивание, определяемое процессами взаимной диффузии инструментального и обрабатываемого материалов.

Сопровождается  растворением карбидов (в основном карбидов вольфрама) с последующим прямым диффузионным растворением элементов диссоциации в обрабатываемом материале. При повышенных температурах материал инструмента «растворяется» в стружке и «вымывается» в виде кратера в месте контакта с ней.

Так называемое адгезионно-усталостное изнашивание, определяемое типом обрабатываемого материала и коэффициентом трения в зоне контакта. Локальная сварка в зоне контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью в значительной степени соотносится с механизмом диффузионного износа. Повторяющееся циклическое возникновение и разрыв адгезионных связей подвергают переднюю часть инструмента многократному влиянию касательных и нормальных нагрузок, приводящих к развитию трещинообразующих дефектов в граничных объемах инструмента. 

Режущий инструмент подвергается всем вышеперечисленным  видам износа, и применение в качестве барьера диффузионному и адгезионному износу химически инертных высокотвердых  покрытий на основе карбидов, нитридов, карбонитридов и т.п. может в  несколько раз повысить износостойкость и срок его службы. 

Критическим фактором выхода инструмента из строя является температура (скорость резания). Высокоскоростная металлообработка приводит к сокращению теплоотвода в инструмент и к  увеличению разогрева стружки. Обычно с возрастанием скорости резания повышается температура обрабатываемого металла (включая тонкую стружку) и инструмента.

Однако при  достижении достаточно высокой скорости обработки (определенной для каждого  материала инструмента и обрабатываемого  металла) температура режущих кромок практически не изменяется, так как до 70% тепла, образующегося в зоне контакта, отводится со стружкой, а теплоперенос в металл заготовки и инструмента минимален. Применение защитных покрытий может существенно снизить температуру и обеспечить возможность высокоскоростной обработки при относительно невысоких температурах.     

Повышение скорости резания приводит к превалированию механизмов адгезионного и диффузионного  износа переднего угла режущего инструмента, который происходит на межфазной границе «инструмент — стружка». Диффузия обрабатываемого материала в кобальтовую связку твердого сплава приводит к ее разупрочнению и катастрофическому разрушению инструмента. Нанесение защитного покрытия препятствует образованию прочной диффузионной связи и протеканию взаимной диффузии обрабатываемого и инструментального материалов, при которой происходит диссоциация карбидов вольфрама и последующая диффузия продуктов распада в обрабатываемый материал.

Известно, что  при очень высоких скоростях обработки невозможно снизить температуру резания (в зоне непосредственного контакта) подачей охлаждающей жидкости. Целесообразность использования охлаждающей эмульсии на водной основе при высокоскоростном резании увеличивается с уменьшением скорости резания. Однако применение охлаждающей жидкости приводит к высокоамплитудным резким колебаниям температуры, что неблагоприятно сказываетсяна механических свойствах инструмента. Востребованным остается только смазывающее действие СОЖ, позволяющее отбрасывать стружку. Геометрия специального струмента,предназначенного для высокоскоростной обработки, рассчитана на далекий вынос раскаленной стружки. Применение же износостойких высокотвердых покрытий обеспечивает снижение абразивного, диффузионного и адгезионно-усталостного износа инструментального материала, а низкий коэффициент трения также обеспечивает быстрое удаление раскаленной стружки. 

В развитых странах  разрабатываются программы и  законодательные нормативы, стимулирующие  постепенный отказ от использования СОЖ. Подсчитано, что их стоимость составляет приблизительно 16% от стоимости продукции металлообработки, а общие затраты на использование СОЖ составляютнесколько миллиардов долларов только в США. Более 71 миллиарда йен тратится на СОЖ ежегодно в Японии. Кроме того,непрямые расходы включают в себя огромные затраты по предотвращению вредного воздействия продуктов испарения и отходов СОЖ на человека и окружающую среду.

Развиваются два  подхода к решению этой проблемы. Первый — создание новых жаропрочных  керамических материалов (в том числе многослойных и композиционных, на основе кубического нитрида бора и др.). Применение данных материалов в промышленных масштабах ограничивается их высокой стоимостью. Второй подход заключается в использовании высокопрочных твердых покрытий, обеспечивающих снижение температуры в зоне резания за счет уменьшения коэффициента трения и хорошего теплоотвода. Наиболее широко применяются покрытия TiAlN (50/50TiAlN, 30/70 TiAlN и др.), которые во многих случаях обеспечивают режимы обработки без использования СОЖ при значительном увеличении срока службы. Преимущество данных покрытий состоит в том, что они, сохраняя высокую твердость при повышенных температурах, обладают пониженным (по сравнению с покрытием нитрида титана) коэффициентом трения, а также стойкостью к окислению при повышенных температурах (до 700 °С) и относительно высокой теплопроводностью, что при непрерывном режиме резания обеспечивает улучшенный теплоотвод и предотвращение отслаивания покрытия. Улучшенные трибологические свойства и повышенная окислительная стойкость этих покрытий обеспечиваются тонким поверхностным слоем оксида алюминия. Производители инструмента отдают предпочтение покрытию TiAlN, поскольку при многих прочих равных свойствах стехиометрию и воспроизводимость нанесения карбонитридных покрытий (например, TiCN) сложнее контролировать. Нитридные покрытия более технологичны в изготовлении, и можно сказать, что TiAlN и его модификации (30/70 TiAlN, TiAlCrN, TiAlCrYN и т.п.) стали флагманом мировой индустрии покрытий и широко используются как вполне самодостаточные покрытия и в различных многослойных комбинациях (TiN/TiAlN и т.п.). Принципиально новым вариантом можно считать двухслойное покрытие на основе TiAlN, у которого внешний слой состоит из твердосмазочного дихалькогенида MoS2, обеспечивающего свободное удаление стружки и более высокое качество реза. Строго говоря, не следует относить подобные покрытия к классу многослойных, поскольку пленка дисульфида молибдена диссоциирует при относительно низких температурах (~300 °C) и несет вспомогательный смазочный характер за счет чрезвычайно низкого коэффициента трения.