Введение к работе
Актуальность работы.
Основным инструментальным материалом, используемым в современных металлообрабатывающих производствах, является твёрдый сплав. Следует отметить, что широкое применение стандартных твёрдых сплавов, содержащих дефицитные и дорогостоящие элементы типа W, Ta, Nb, Co и др., существенно увеличивает производственные расходы, что стимулировало появление ещё одной группы твердых сплавов не содержащих указанные элементы. Такие твердые сплавы получили наименование «безвольфрамовые» или «керметы», однако по своим свойствам и областям технологического применения они существенно уступают соответствующим свойствам вольфрамосодержащих сплавов. В этой связи восстановление производства, совершенствование свойств безвольфрамовых твёрдых сплавов и расширение области их применения является важной научно-практической задачей современных металлообрабатывающих производств.
Отказы инструментов в процессе резания совершаются вследствие интенсивного изнашивания его контактных поверхностей при интегрально протекающих процессах химико-термической оксидации, адгезионных явлений, сопровождающихся циклическим характером взаимодействия, интердиффузионных явлений и т.д. В этой связи одновременное снижение склонности к физико-химическому взаимодействию обрабатываемого и инструментального материалов при росте твёрдости и теплостойкости последнего может служить универсальным средством кардинального повышения режущих свойств инструмента. Таким средством является износостойкое покрытие, имеющее двойственную природу со способностью одновременного воздействия на процессы физико-химического взаимодействия при направленной трансформации кристаллохимических и физико-механических свойств инструментального материала.
Поэтому разработка методологии формирования инновационных покрытий на рабочих поверхностях инструмента удовлетворяющих двойственности природы покрытий в виде промежуточной среды между инструментальным и обрабатываемым материалами является актуальной научно-практической задачей, результатом решения которой будет повышение режущих свойств и надежности инструмента, а также производительности резания различных обрабатываемых материалов. Кроме того замена стандартных вольфрамосодержащих сплавов на более дешёвые, но не менее эффективные безвольфрамовые твердые сплавы является важной научной и практической проблемой. Поэтому установление закономерностей формирования структуры, составов и свойств многофункциональных покрытый в зависимости от параметров процесса нанесения при осаждении покрытий на инструменты из безвольфрамовых твердых сплавов с целью повышения их режущих свойств и расширения области технологического применения является весьма актуальным, так как это позволяет установить физическую природу взаимосвязи структуры, состава и строения измененного слоя инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов c режущими свойствами инструмента и закономерностями его изнашивания.
Научные и практические результаты работы реализованы при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ по государственному заданию №01201254483 от 01.01.2012 г. Министерства образования и науки и в соответствии с критическими технологиями «Технология получения и обработки функциональных наноматериалов».
Цель работы. Повышение режущих свойств инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС) и расширение области их применения при обработке конструкционных сталей и жаропрочных сплавов путём разработки и применения многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий (МКНП).
Указанная цель исследования может быть достигнута при решении следующих задач:
-
Разработка методологии рационального выбора функций элементов, архитектуры и формирования многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий на режущих инструментах из безвольфрамовых твердых сплавов.
-
Исследование параметров процесса резания инструментом из безвольфрамовых твердых сплавов с многослойно-композиционными нанодисперсными покрытиями.
-
Исследование влияния составов многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий и технологии их получения на режущие свойства инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов.
-
Исследование механизма изнашивания инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов с различными составами многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий.
-
Разработка математических моделей резания инструментом из безвольфрамовых твердых сплавов с многослойно-композиционными нанодисперсными покрытиями при резании конструкционных сталей и жаропрочных сплавов.
Методы исследования.
Работа выполнена на основе применения основных положений теории резания материалов, физического материаловедения, статистического анализа результатов экспериментальных исследований, математического моделирования многопараметрических процессов резания. Исследования механизмов влияния параметров получения многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий на различные свойства системы «МКНП – БВТС» и вторичные структуры, возникающие при изнашивании в процессе резания выполняли при использовании методов ЭДС (энерго-дисперсионная спектрометрия), ВИМС (вторичной ионной масс-спектрометрии) и СЭМ (сканирующая электронная микроскопия) и др.
Научная новизна заключается в:
– методологии рационального выбора функций и параметров архитектуры многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий, формируемых при использовании процессов фильтруемого катодно-вакуумно-дугового осаждения для инструментов из безвольфрамовых твёрдых сплавов;
– функциональных связях параметров фильтруемого катодно-вакуумно-дугового осаждения нанодисперсных покрытий многослойной структуры с режущими свойствами инструмента из безвольфрамовых твёрдых сплавов для чистовых и получистовых операций обработки сталей и жаропрочных сплавов;
– математических моделях процесса резания конструкционных сталей и жаропрочных сплавов для инструмента из безвольфрамовых твёрдых сплавов с многослойно-композиционными нанодисперсными покрытиями, устанавливающих зависимость износа инструмента и главной составляющей силы резания от скорости и времени резания.
Практическая ценность.
На основе выполненных исследований получены следующие практические результаты:
методика выбора состава, структуры и свойств многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий, осаждаемых на инструменты из безвольфрамовых твёрдых сплавов для резания различных материалов, исходя из функционального назначения каждого из компонентов покрытия;
опытная технология нанесения многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий на инструменты из безвольфрамовых твердых сплавов на основе процессов фильтруемого катодно-вакуумно-дугового осаждения;
рекомендации по применению инструмента из различных марок безвольфрамовых твердых сплавов с разработанными многослойно-композиционными нанодисперсными покрытиями для операций точения конструкционных сталей;
расширены области применения и разработаны рекомендации по применению инструмента из безвольфрамовых твёрдых сплавов с многослойно-композиционными нанодисперсными покрытиями для чистовой обработки жаропрочных сплавов на основе хрома (типа Х65НВФТ).
Публикации.
Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 8 статьях, три из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий рекомендованных ВАК.
Реализация работы. Методика получения многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий (МКНП) была реализована в технологии нанесения МКНП на СМП из БВТС для обработки жаропрочных сплавов на основе хрома, которая используется в ЗАО ЭКОТЕК при производстве СМП из БВТС с МКНП и принята ФГУП «Композит» для чистовой обработки заготовок из сплавов на основе хрома.
Апробация работы. Материалы настоящей работы представлялись на всероссийской и международных научно-технических конференциях, среди которых: «Машиностроение – традиции и инновации» (Москва, МГТУ «СТАНКИН», 2011); Интерпартнёр-12 «Высокие технологии: тенденции развития», (Харьков –НТУ «ХПИ»-Алушта, 2012); «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике» (Звездный городок, 27-29 июня, 2012) и другие.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения и 4 глав, выводов, списка использованной литературы, 123 источников, содержит 162 стр. печатного текста, 33 таблицы, 58 рисунков и фотографий.
