Первые износостойкие покрытия для металлорежущего инструмента появились в шестидесятых годах прошлого века в виде самого примитивного по сегодняшним меркам TiC. Эта новинка мгновенно увеличила производительность на 50% и придала огромный импульс для развития машиностроения в целом. Металл стали обрабатывать быстрее, качественнее, экономичнее. Сегодня специальные покрытия наносят на 80% всего металлорежущего инструмента, они распространены повсеместно, поэтому мы решили познакомить читателей с этим вопросом поближе.
Повышение производительности в 2 раза, увеличение срока службы до 10 раз, снижение температуры и исключение смазочно-охлаждающей жидкости из технологического процесса – вот что предлагают производители металлорежущего инструмента со специальными покрытиями. На самом деле, в этом вопросе довольно много тонкостей, и далеко не всегда применение покрытий дает положительный экономический эффект. Давайте разбираться по порядку.
Не подлежит восстановлению
В процессе работы инструмент подвергается трем механизмам износа: абразивному, вследствие истирания режущей кромки; диффузионному, когда обрабатываемая поверхность и инструмент подвергаются взаимной диффузии (или попросту растворению); и так называемому адгезионно-усталостному, которое сопровождается трещинообразованием вследствие трения. Режущий инструмент подвергается всем вышеперечисленным видам износа и различные покрытия способны в той или иной степени препятствовать каждому из них.
Основным критерием при определении работоспособности инструмента является температура, которая в первую очередь зависит от скорости резания. При увеличении скорости резания температура возрастает, однако, дойдя до определенного предела, она остается неизменной в течение всего процесса. Чем выше температура, тем активнее на границе проходят процессы диффузии (растворения) и трещинообразования, что приводит к катастрофическому разупрочнению режущей кромки. Поэтому применение защитных покрытий обязательно в случае высокоскоростной обработки при высоких температурах. Покрытия также могут выполнять роль смазки и снижать трение, препятствуя абразивному износу.
Наносить можно по-разному
На мировом рынке технологий по упрочнению существуют два принципиально разных метода нанесения износостойких покрытий: химическое (CVD) и физическое (PVD) осаждение. Первый был впервые применен компанией SandvikCoromant (Швеция) в 1969 году и вызвал прямо-таки техническую революцию в машиностроении. Но, несмотря на все преимущества, данный метод сегодня используется крайне редко по двум причинам:
1. низкая адгезия покрытия и, как следствие, ухудшение механических свойств основы. Несмотря на то, что диапазон скорости резания будет существенно выше, и, соответственно, выше производительность, низкая прочность основы уже не позволит использовать инструмент для работы в тяжелых условиях;
2. ограничения по остроте режущей кромки. Химическое осаждение проходит быстрее на острых краях, поэтому их необходимо скруглять, чтобы толщина слоя была равномерной.
Метод физического осаждения (PVD) лишен всех этих недостатков, он обладает высокой производительностью и достаточно прост с технологической точки зрения. Простейшие однослойные PVD покрытия TiN сейчас применяются для метчиков и быстрорежущих фрез средней производительности, используемых для обработки простых материалов на низких скоростях. Эти же покрытия можно увидеть на сверлах из быстрореза, предлагаемых для домашнего использования.
В свою очередь, физическое и химическое осаждение может проходить по-разному, в зависимости от энергии потока, степени ионизации, чистоты подложки и многих других параметров. Поэтому разные производители могут получить два внешне одинаковых покрытия, но с абсолютно разными свойствами. Запомните: наличие износостойкого покрытия на инструменте еще не дает гарантии увеличения производительности, очень важно соблюдение всех технологических параметров при его изготовлении
Развитие износостойких покрытий
После появления износостойких покрытий появилась необходимость в серьёзных исследованиях как в области совершенствования технологии, так и в области разработки принципиально иных методов их нанесения. Основная задача – борьба с хрупкостью поверхностного слоя. Как известно, разные материалы имеют разный температурный коэффициент расширения, поэтому при увеличении температуры материал инструмента и материал покрытия увеличиваются в объеме по-разному. Отсюда возникают трещины, а затем и разрушение покрытия. Способ борьбы с этим явлением поражает своей парадоксальностью: если известно, что растягивающие напряжения концентрируются в верхних слоях покрытия, то необходимо сделать его излишне толстым, а затем эти слои удалить.
Сегодня покрытия делают многослойными.Возьмем, к примеру, довольно распространенный вид покрытия TiCN-Al203-TiN. В нем каждый слой несет свою функцию: TiCN служит в качестве связки между основным слоем и поверхностью Инструмента в Саратове, слой оксида алюминия (Al203) защищает инструмент от воздействия высокой температуры, а TiN обладает высокой твердостью и износостойкостью. Получается в своем роде «пирог», причем каждый слой не имеет явно выраженных границ.
В последнее время активно ведутся разработки высокотвердых алмазоподобных покрытий (DLC). Они обладают высочайшей твердостью (7000 HV), однако сильно подвержены хрупкому разрушению вследствие возникновения внутренних напряжений. При их использовании обязательно применение охлаждающих жидкостей, так как их верхний предел рабочей температуры составляет всего 250°С.
В будущем, наверное, следует ожидать разработки СVD покрытий с оксидом циркония ZrO2. Как показывают опыты, этот материал может препятствовать диффузии компонентов твердого слава в обрабатываемый материал при высоких температурах в 26 раз более эффективно, чем оксид алюминия. При этом он обладает высокой твердостью. Однако, пока не удается получить этот оксид в кристаллической форме для покрытий.
Резание без смазки и охлаждения
Во многих странах в последнее время наметилась тенденция отказа от смазочно-охлаждающей жидкости. Связано это, во-первых, с ее высокой стоимостью, а, во-вторых, с необходимостью ее дальнейшей переработки для исключения вредного воздействия на окружающую среду. Некоторые источники утверждают, что ее доля в себестоимости готовой продукции может достигать 15%. Поэтому вопрос исключения СОЖ из технологии производства сейчас очень актуален. Один из вариантов – разработка специальных покрытий, обладающих как охлаждающим, так и смазывающим эффектом.
Возьмем, к примеру, покрытие TiAlN: при его использовании в большинстве случаев исключается применение СОЖ, при этом срок службы инструмента возрастает. Это связано с пониженным коэффициентом трения, а также стойкостью к окислению при повышенных температурах (до 800°С). Высокая теплопроводность при непрерывном режиме резания обеспечивает улучшенный теплоотвод и предотвращение отслаивания покрытия. Недаром покрытие TiAlN сегодня является одним из самых инновационных в мире, и многие технологи отдают предпочтение именно ему.
Другой вариант снижения трения при резании – использование многослойных покрытий на основе TiAlN с наружным слоем MoS2. На самом деле, дисульфид молибдена сложно назвать слоем, так как уже при 300°С он полностью растворяется. Однако он может с успехом выполнять на определенном этапе резания функции СОЖ: приработку («вхождение») инструмента на начальных этапах работы за счет очень низкого коэффициента трения и удаление стружки из зоны резания.