Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы инструментального материаловедения на современном этапе научно-технического прогресса ..14
1.1. Инструментальное материаловедение - основа научно-технического прогресса 14
1,2.Требования, предъявляемые к инструментальным материалам 18
1.3. Особенности изнашивания и механизмов разрушения твёрдых сплавов и режущей керамики 33
1.4. Анализ механизмов и методов упрочнения ИМ 44
1.5. Теория электронной локализации — обобщённый критерий качественного определения тенденций изменения свойств ИМ 64
1.6. Инструментальные слоистые материалы (ИСМ) 92
Выводы 103
Глава 2. Материалы и методики 104
2.1. Характеристика используемых материалов 104
2.2. Определение механических свойств градиентных материалов 108
2.3. Определение физических свойств градиентных материалов 111
2.4. Материалы и оборудование, используемые при изготовлении градиентных инструментальных материалов на основе твердых сплавов и оксидной керамики 113
2.5. Методика определения эксплуатационных свойств градиентных инструментальных материалов 114
2.6. Методы исследования упругих и прочностных свойств слоистых материалов 116
2.6.1. Физическая постановка задачи 122
2.6.2. Математическая постановка задачи 124
2.6.3. Методика расчёта напряжённого состояния 126
2.6.4. Критерий прочности слоистого материала с градиентным распределением свойств 127
2.6.5. Алгоритм расчёта напряжённого состояния и исследования прочности слоистых материалов с градиентным распределением свойств 130
Глава 3. Методологические основы и моделирование процессов создания градиентных покрытий на твёрдых сплавах и оксидной керамике 132
3.1. Разработка инструментальных материалов с прогнозируемыми свойствами - основная задача инструментального материаловедения 132
3.2. Анализ взаимосвязи фазового, химического состава материала со свойствами режущего инструмента 147
3.3. Критерии стойкости режущего инструмента во взаимосвязи с физико-механическими свойствами самсонидов 157
3.4. Схема структуры покрытия на режущих инструментах 168
3.5. Физическая модель формирования многослойного покрытия на режущем инструменте 171
Выводы 178
Глава 4. Разработка и исследование модели материала с поверхностным градиентом свойств 180
4.1. Исследование напряженного состояния и прочности материалов с покрытиями 180
4.1.1. Материалы с однослойным покрытием 180
4.1.2. Материалы с покрытием с переходной зоной 185
4.1.3. Инструментальные материалы с многослойными покрытиями 190
4.2. Модель слоистого материала с градиентным распределением свойств оптимальной конструкции 198
Выводы 203
Глава 5. Разработка и получение слоистых материалов на поверхности вольфрамсодкржащих твердых сплавов 205
5.1. Физико-механические свойства слоистых материалов с градиентным распределением свойств 205
5.2. Структура, фазовый и химический состав, слоистых материалов 219
5.3. Оптимизация технологических параметров получения слоистых материалов (с многослойными покрытиями) методом КИБ 225
5.4. Поверхностное легирование твердых сплавов 236
5.5. Анализ диаграмм состояния системы W-C-Co-Ti 242
5.5.1. Термодинамическая оценка возможности взаимодействия в системе W-C-Co-Ti 246
5.6. Структура, фазовый состав легированных твердых сплавов 249
5.7. Физико-механические и функциональные свойства дисперсноупрочненного твердого сплава 252
5.7.1. Исследование модуля Юнга в поверхностно-упрочненных материалах 254
5.8. Оптимизация технологических параметров получения градиентного инструментального материала 256
5.9. Микромеханизмы изнашивания и разрушения твердосплавного инструмента при нестационарном резании 261
5.10. Микромеханизмы изнашивания и разрушения твердосплавного инструмента с покрытиями 267
5.11. Кинетика микроразрушения многослойных покрытий 288
5.11.1. Определение параметров многослойных покрытий, 5 состоящих из чередующихся слоев тугоплавких металлов и их соединений 290
5.12. Общая схема разрушения твердых сплавов с покрытиями 293
Выводы 298
Глава 6. Исследование современных инструментальных керамических материалов на основе al203 и разработка слоистых керамических материалов 301
6.1. Термодинамический анализ возможности взаимодействия в системе оксидная керамика - железоуглеродистые сплавы...301
6.2. Состав и структура оксидных керамик 302
6.3. Физико-механические свойства оксидных керамик 304
6.4. Фрактографические исследования оксидных керамик 305
6.5. Влияние способа финишной обработки на структуру и состав оксидных керамик 313
6.6. Исследование процессов изнашивания и разрушения инструментальной керамики при обработке конструкционных материалов 317
6.6.1. Особенности микромеханизмов изнашивания и разрушения оксидных керамик при обработке конструкционных сталей 317
6.6.2, Исследование микромеханизмов изнашивания и разрушения оксидных керамик при обработке чугунов резанием 321
6.7. Физическая модель высокотемпературного изнашивания керамики на основе а-А120з 327
6.8. Повышение надежности и долговечности инструментальной керамики 331
6.9. Оптимизация технологических параметров получения слоистой керамики 335
Выводы 338
Глава 7. Практическое использование результатов экспериментальных исследований 340
7.1. Стойкостные зависимости Из -V, Т-Vслоистых материалов с градиентным распределением свойств 340
7.2. Сравнительные производственные испытания слоистых материалов 345
7.3. Эксплуатационные испытания слоистых материалов, состоящих из чередующихся слоев металлов и тугоплавких соединений 352
7.4. Исследование служебных свойств слоистых материалов, полученных дисперсным упрочнением 357
7.5. Технико-экономическая эффективность производства и применения слоистого материала на основе WC-Co 360
7.6. Применение слоистых керамических материалов 364
Выводы 366
Общие выводы 367
Литература 371
Приложение 394
- Особенности изнашивания и механизмов разрушения твёрдых сплавов и режущей керамики
- Материалы и оборудование, используемые при изготовлении градиентных инструментальных материалов на основе твердых сплавов и оксидной керамики
- Анализ взаимосвязи фазового, химического состава материала со свойствами режущего инструмента
- Модель слоистого материала с градиентным распределением свойств оптимальной конструкции
Введение к работе
Стратегическим направлением развития материаловедения является разработка новых материалов, что связано со все возрастающими требованиями к повышению уровня их физико-химических, технологических и эксплуатационных свойств, создание технологий получения и производства. В этом аспекте особый научный и практический интерес представляет разработка и получение инструментальных материалов (ИМ). Известно, что в машиностроении и других отраслях промышленности производительность труда и качество обработки деталей машин в значительной степени зависит от применяемого режущего материала (РМ). Выбор материала режущей части инструмента на протяжении веков был приоритетной задачей науки, технологии и теснейшим образом связан с развитием металлургии, а в последнее время с порошковой металлургией, воздействием концентрированных потоков энергии, а также физикой и химией твердого тела.
Использование на практике материалов для резания происходило последовательно в соответствии с развитием металлургии: углеродистые стали - легированные стали - быстрорежущие стали - вольфрамосодержащие твердые сплавы - тугоплавкие соединения (Самсониды) - керамика - слоистые композиционные материалы, причем вначале создание материалов осуществлялось преимущественно за счет изменения химического и фазового составов, а с середины XX века - за счет создания новой структуры как в объеме материала или его ограниченных зонах, так и на поверхности материала путем нанесения на его рабочие поверхности различными методами тонких слоев, имеющих более высокую твердость, износостойкость, жаростойкость и т.д. Разработанные в начале 70-х годов технологии газофазного нанесения износостойких покрытий делают возможным формирование на рабочих поверхностях инструмента износостойких покрытий определенного состава, структуры и строения, что, в свою очередь, позволяет создать композицию покрытие-инструментальный материал, сочетающую такие свойства, как прочность, вязкость, твердость, теплостой-
кость, и позволяющую значительно повысить работоспособность РМ. Данной проблеме посвящены работы А.С. Верещаки, В.И. Третьякова, Ю.Г. Кабалдина, И.А. Подчерняевой, Mattews , Holmberg, Zeyland и др.
В настоящее время коммерческий и исследовательский интерес в области совершенствования РМ направлен на разработку композиционной керамики и композиционных керамических покрытий, в том числе на поверхности вольф-рамсодержащих твердых сплавов, в которых варьирование структурными эффектами и выбор фазовых составляющих позволяют конструировать материал-покрытие так, чтобы комбинировать свойства, необходимые для условий эксплуатации режущих инструментов, созданием на рабочей поверхности режущего инструмента материала слоистой структуры с градиентным распределением свойств по глубине. Актуальность разработки слоистых материалов с градиентным распределением свойств (СМГРС) инструментального назначения подтверждается тем, что все ведущие фирмы, такие как Krupp Widia GmbH (Германия), Kennametal (США), Metalwork Plansee AG (Австрия), Sandvik Coromant работают над данной проблемой, руководствуясь собственными традициями и исследованиями. Это принципиально новый этап в разработке и создании режущих материалов, являющихся новым материалом композиционного типа, в котором сочетаются высокие физико-химические свойства поверхностного слоя и необходимые свойства основы (высокая прочность, ударная вязкость, трещи-ностойкость и т.д.). Несмотря на ряд фундаментальных работ в этом направлении, проблема создания СМГРС еще далеко не исчерпана и требует на данном этапе развития материаловедения разработки фундаментальных принципов и положений по исследованию и созданию функциональных материалов, и прежде всего общей концептуальной основы и методологии получения материалов в рамках отдельного раздела материаловедения - инструментального материаловедения, разрабатываемого автором. Кроме того, отсутствуют критерии выбора материала покрытия, не определен характер распределения физико-химических свойств по глубине слоя, их соотношение с материалом основы и обрабатываемого материала, а также влияния этих характеристик на режущие свойства ин-
струмента. Для решения указанных задач и сопутствующих проблем необходима разработка современной парадигмы создания функциональных материалов.
Работа выполнялась в рамках фундаментальных исследований по госбюджетной тематике «Разработка составов, методов улучшения физико-механических свойств композиционных материалов с керамическими и металлическими матрицами» (№ государственной регистрации 01.9.00 000050) Института машиноведения и металлургии ДВО РАН в 1989-1991 гг., по программе работ по развитию перспективных упрочняющих технологий в ГНПП «Технология» в 1995-2000 гг., в рамках фундаментальных исследований по госбюджетной тематике «Разработка и получение функциональных материалов и покрытий с использованием минерального сырья и исследование их свойств» (№государственной регистрации 01.2.00 106190) Института материаловедения ХНЦ ДВО РАН в 2003-2005 гг.
Цель работы состоит в решении научно-прикладной проблемы в области материаловедения, направленной на решение важной народнохозяйственной задачи - повышения стойкости режущего инструмента из вольфрамсодержа-щих твердых сплавов и оксидной керамики на основе разработки научных принципов формирования слоистого материала с прогнозируемым составом и структурой, обеспечивающих необходимый градиент свойств по глубине поверхностного слоя, и создание на их основе высокоэффективного режущего инструмента для условий повышенных нагрузочно-скоростных параметров эксплуатации.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
разработка нового раздела материаловедения - инструментального материаловедения, определение его целей, задач, основных проблем и путей их решения;
разработка новой парадигмы создания функциональных материалов, в частности, инструментального назначения на основе вольфрамсодержащих твердых сплавов и оксидной керамики;
разработка критериев выбора материала слоистой композиции покрытия
на поверхности вольфрамсодержащего твердого сплава;
разработка и исследование комплексной модели поведения слоистых материалов с градиентом свойств по глубине покрытия;
разработка методов и методики оценки свойств СМГРС (микропластичности, трещиностойкости, прочностных характеристик, модуля Юнга);
исследование взаимосвязи состав-структура-свойства-технология инструментальных материалов на основе вольфрамсодержащих твердых сплавов и оксидной керамики; .
исследование закономерностей изнашивания и разрушения слоистых материалов в зависимости от состава, структуры и технологии в широком диапазоне изменения условий нагружения;
разработка и создание композиционного материала из чередующихся фаз тугоплавких соединений и металлов на поверхности твердого сплава и керамики с плавным изменением свойств;
оптимизация технологических параметров получения слоистых материалов с градиентным распределением свойств.
Научная новизна работы
Сформирован новый раздел материаловедения - инструментальное материаловедение, в рамках которого разработана новая парадигма (парадигма Верхотурова - Фадеева) создания функциональных материалов (инструментального назначения), основанная на пятиз венной схеме «условия эксплуатации-состав-структура-технология-свойства».
Разработаны научные принципы создания износостойких слоистых материалов из чередующихся фаз тугоплавких соединений и металлов на поверхности вольфрамсодержащих твердых сплавов и оксидной керамики, заключающиеся в прогнозируемом изменении Е, X. а по толщине слоя, обеспечивающем снижение рабочей температуры режущей кромки, увеличение ее твердости и повышение адгезионного взаимодействия покрытия с основой.
Впервые предложен критерий стойкости режущих инструментов, связывающий физико-химические свойства Самсонидов (твердость, температуру плавления, модуль упругости, коэффициент термического расширения, коэффициент теплопроводности) применительно к покрытиям на вольфрамсодержащих твердых сплавах и условиям их работы.
Разработан способ стадийного легирования вольфрамсодержащих твердых сплавов, заключающийся в выделении дисперсных фаз на границах зерен твердого сплава и их измельчении с образованием протяженного диффузионного слоя (1 д > 1 п ) промежуточного слоя между покрытием и основой переменного состава с повышенным пределом текучести и микропластическими свойствами, обеспечивающими плавное изменение свойств от режущей кромки к основе.
Разработаны оригинальные методы определения модуля Юнга поверхностно-упрочненных материалов и одно-, многослойных покрытий из тугоплавких соединений на поверхности вольфрамсодержащих твердых сплавах на основе измерения резонансных частот при продольных ультразвуковых колебаниях образца.
Впервые предложена физическая модель инструментального материала слоистой структуры, основанная на изменении модуля Юнга, коэффициента линейного температурного расширения и напряженного состояния приповерхностных слоев режущего инструмента. Согласно данной модели, инструментальный материал с заданными физико-химическими и эксплуатационными свойствами должен представлять собой материал с многослойным, не менее трех слоев покрытий, полученный различными методами и их сочетаниями.
Изучен механизм изнашивания твердых сплавов и оксидной керамики с покрытиями из тугоплавких металлов и их соединений, позволяющий сформулировать основные подходы к разработке функциональных материалов инструментального назначения в широком интервале нагрузочно-скоростных режимов.
Решение поставленных в работе задач и полученные результаты по стойкости режущих инструментов с учетом химического взаимодействия материалов режущей кромки и обрабатываемой детали, физико-химических процессов в контактной зоне является научным вкладом в перспективное направление создания и конструирования композиционных покрытий на режущих инструментах для повышенных нагрузочно-скоростных параметров обработки. На защиту выносятся
методологические основы разработки и получения функциональных материалов инструментального назначения, базирующиеся на установлении взаимосвязи «условия эксплуатации - состав - структура - технология -свойства»;
критерии выбора тугоплавких соединений (Самсонидов ) в качестве покрытий на поверхности волфрамсодержащих твердых сплавов;
модель материала с многослойным покрытием инструментального и триботехнического назначения с оптимальным распределением упругих характеристик;
новые методики определения микромеханических и прочностных свойств слоистых материалов с градиентным распределением свойств (микропластичность, трещиностойкость, модуль Юнга) а.с. 1785832. 1786423;
экспериментальные зависимости изнашивания и разрушения слоистых материалов в широком диапазоне нагрузочно-скоростных параметров эксплуатации.
составы, технологические режимы и способы получения слоистых материалов на вольфрамсодержащих твердых сплавах (а.с. 1527949, 1584415, 1631832,1730784,1790251);
составы, технологические режимы и способы получения слоистых структур на поверхности оксидной керамики (а.с.1536723, 1584323, 1600358,1635495, 1812764).
Практическая значимость и реализация работы в промышленности
Полученные в работе экспериментальные и теоретические результаты положены в основу разработанных технологических процессов получения слоистых материалов с градиентным распределением свойств. -Разработана новая постадийная технология получения СМГРС на основе композиции WC-Co с высокой демпфирующей способностью и повышенной износостойкостью (а.с.№№ 1730784, 1526045, 1584415, 1440083).
Разработаны новые керамические инструментальные материалы для процессов обработки резанием с повышенными, по сравнению с существующими аналогами, объемной прочностью и износостойкостью (а.с. №№ 1526133, 1685071, 1727371, 1640946).
Разработаны и экспериментально подтверждены способы повышения работоспособности режущего инструмента из керамики на основе а -А120з путем обработки в плазме ионов Ті, Zr, Hf с последующим осаждением слоя металлов-геттеров (а. с. №№ 1536723, 1584323, 1600358, 1635495,1812764). Разработана установка для исследования внутренних напряжений в химически пассивных материалах (послойное стравливание).
Полученные научные результаты послужили основой для организации в промышленном районе Дальневосточного региона в г. Комсомольске-на-Амуре предприятия «ДВ Технология» по производству инструментальных материалов, в том числе СМГРС, которые используются на различных предприятиях России.
Результаты работы внедрены в производство на предприятиях ДВЖД (вагонное депо ВЧД-2, локомотивное хозяйство г. Хабаровск, ВЧД-6, г. Комсомольск на -Амуре), ЗАО «Термотрон», г. Брянск, Армавирский ЭМЗ, предприятия Ю-ВОСТ РГОТУПС, г. Воронеж, ОПМС-103, Московско-Рязанского отделения Московской ЖД, предприятия Забайкальской ЖД (акты внедрения прилагаются). Данные разработки защищены более 20 авторскими свидетельствами и Патентами РФ.
Особенности изнашивания и механизмов разрушения твёрдых сплавов и режущей керамики
Повреждение режущего инструмента зависит как от случайно действующих факторов, приводящих к поломке, так и от систематически и постоянно действующих факторов, предусматриваемых признаком служебного назначения МРИ и ходом выполнения требуемого процесса резания.
Анализ отказов твердосплавного инструмента при обработке стали ЗОХГСА (HRC 32-43), [18] показывает следующий характер, табл. 1.5 и 1.6.
При продольном и контурном точении сталей и чугунов в высокопрочном состоянии наиболее характерным видом отказа твердосплавного металлорежущего инструмента (МРИ) является смешанное разрушение: сколы, выкрашивания, достигающие на отдельных операциях 60-80% и пластическая деформация кромок (до 30%). Разрушения обусловлены, в первую очередь, процессами кратковременной зернограничной ползучести, развиваемой под действием высоких термомеханических напряжений в приповерхностных объёмах инструмента. В результате пластического течения поверхностных слоев ИМ резко возрастает величина фаски износа, сил резания и создаются условия для хрупкого скалывания режущих пластин.
В работах [15, 19, 20] показано, что инициатором выкрашиваний и сколов могут быть поверхностные и объемные дефекты, формируемые в процессах производства, финишной обработки и эксплуатации, макро- и микродефекты. Их можно разделить на дефекты, производные: а) процессов прессования и спекания изделий из твёрдых сплавов; б) процессов заточки и доводки режущего инструмента; в) условий эксплуатации инструмента. К дефектам, производным процессов прессования и спекания относятся: внутри-и межзёренная пористость, конгломераты структурных составляющих сплава, структурная неоднородность, включения свободного углерода. Типичными дефектами финишной обработки металлорежущего твердосплавного инструмента являются вырывы части материала, шлифовочные трещины, прижоги карбидов. Природа образования дефектов материала и их влияние на прочностные свойства рассмотрены в работе И.Н. Чапоровой [21] и других показано, что макропоры и графит снижают статическую прочность.
Многообразие механизмов разрушения ИМ носит совокупный характер в зависимости от большого перечня номенклатуры параметров процесса, формирующего силовое, тепловое воздействие на исполнительные поверхности МРИ, от внутреннего состояния, качества ИМ и обрабатываемого материала (ОМ), неучтённых внешних воздействий. Общие принципы разрушения материалов изложены в работах [22-25], которые можно свести к следующим: 1. Внутрикристаллитное: А. Хрупкое с образованием ручьёв скола. Абсолютно хрупкое зафиксировано лишь в алмазе и карбиде кремния [30]. Б. Квазихрупкое сколом и пластической деформацией области, прилегающей к трещине. В. Вязкое с распространением трещины разрывом перемычек между микропустотами. 2. Межкристаллитное: А. Хрупкое по границам зёрен, субзёрен или ячеек, вызванное накоплением дислокаций в области границ. Б. Вязкое (ямочное) с образованием вязкого межзёренного излома скольжением в приграничных областях и пересечением поверхности скола межкристаллитными трещинами. В. Квазихрупкое, возникающее до критического распространения трещины с последующей пластической деформацией и вязким изломом. 3. Усталостное: А. Разрыхлением кристаллитной решётки от циклических напряжений, вызванное накоплением дислокаций либо в объёме материала, либо в тонком поверхностном слое (1-2 зерна) с образованием и ростом трещины. Б. Формированием субмикротрещин с появлением изолированных дислокаций и последующим формированием клубков дислокаций, вытянутых ячеек, полосовой структуры, дисклинаций и разворотом кристаллов соседних полос, пластическим объединением субмикротрещин у кончика трещины и её хрупким распространением. В. Межзёренной ползучестью с образованием клиновидных трещин в стыке трёх зёрен, либо пор и петель на границах зёрен с дальнейшим проскальзыванием и сдвигом.
В литературе описываются различные варианты перечисленных и других механизмов как последовательно, так и параллельно действующих в процессе работы с учётом влияния потоков тепла, полей, сред.
В работе [26] Кабалдин Ю.Г. отмечает, что ранее было дано определение поверхностному разрушению, как совокупности элементарных актов микрохрупкого разрушения, а износу, как результату постепенного накопления микроразрушений. В последнее время обнаружены электро-пластический [27], аку-сто-пластический [28], магнито-пластический [29] эффекты, которые снижают деформирующие напряжения при пластическом течении. Дефекты кристаллической решётки изменяют величину термо-э.д.с. [27]. Это влияние в основном определяется не ядром дислокаций, а полями вокруг них. Дислокационная термо-э.д.с. зависит не только от плотности, но и от их ширины, и если направление тока и движения дислокаций совпадают, то ток ускоряет их движение, а если нет, то замедляет [26].
При термическом износе [36, 41] возможны изменения структуры и химического состава МРИ, химические (окисление, реакция с окружающей средой) и электрохимические (возникновение термо-э.д.с.) реакции, наварка, адгезия, диффузия (реакция в твёрдом растворе в условиях высоких температуры и давления), растрескивание под действием термических напряжений, температурного градиента на его исполнительной поверхности воздействия.
Материалы и оборудование, используемые при изготовлении градиентных инструментальных материалов на основе твердых сплавов и оксидной керамики
Дисперсноупрочненные градиентные материалы на основе твердых сплавов. Технологический процесс изготовления изделий (режущей части металлорежущих инструментов) на основе композиционных твердых сплавов включает следующие операции: получение исходных порошков, изготовление шихты, холодное или горячее прессование, предварительное спекание, механическую обработку, нанесение физическим (PVD) или химическим (CVD) методами покрытия, последующее окончательное спекание [247, 248].
В настоящей работе при изготовлении градиентного инструментального материала на основе WC-Co использовались готовые твердосплавные смеси (JVC-Co {Со 6% и 8% мас.) в состоянии заводской поставки.
Пластифицирование смесей проводили в заводском двухшнековом смесителе. В качестве пластификатора использовали раствор каучука в бензине.
Прессование заготовок (штабиков, режущих пластин) проводили в пресс-формах разъемного и неразъемного типов одно- и двухсторонним прессованием на гидравлических прессах типа 243ОБ.
Предварительное спекание твердосплавных заготовок проводили в водородных трехзонных печах типа СТН-2,5.2/1.5 и в вакуумных печах с графитовыми нагревателями типа СЭВ 1.6.
Ионное травление, термомеханическую активацию с последующим осаждением металла-геттера на поверхность предварительно спеченной твердосплавной основы в вакууме выполняли согласно технологической инструкции на установке ННВ 6.6.-И-1 [247, 248].
Окончательное жидкофазное спекание, в ходе которого происходит формирование в градиентном инструментальном материале переменной структуры и свойств от поверхности к объемам, проводили в водородных печах типа СТН и вакуумных печах типа СНВЭ и СШВЛ с вольфрамовыми нагревателями. Градиентные материалы на основе оксидной керамики. В основу технологии положен способ обработки оксидной керамики на основе а-А120з в плазме ионов Ті, Zr , Hf с последующим осаждением мягкого слоя чистого металла. Спеченные по известной технологии пластины из керамики на основе а-А12Оз очищаются от загрязнений, обезжириваются и помещаются в рабочую камеру установки для нанесения покрытий ионно-плазменным методом (КИБ) типа «Булат» или ННв-6.6-И1. Установка откачивается до давления 10 5 мм рт.ст., включается на режим ионной очистки. Образцы при этом нагреваются в плазме ионов до 800-900 С. После выдержки при этих температурах в течение 15-20 мин установка переводится в режим осаждения покрытий (давление 10 мм рт. ст.) и наносится слой чистого металла (Ті, Zr, Hf) толщиной 1,5-2,0 мкм. После остывания пластин в камеру напускают воздух и вынимают готовые изделия. Для оптимизации параметров технологических процессов использованы методы многофакторного планирования эксперимента и математической обработки результатов с применением ПЭВМ. Работы по получению инструмента из градиентных материалов проводили на опытном заводе ВНИИТСа и в ГНПП "Технология". Определение эксплуатационных свойств градиентных инструментальных материалов проводили в лабораторных и производственных условиях. Для проведения сравнительных стойкостных испытаний инструментов из градиентных твердосплавных материалов различных марок и видов была использована методика поперечного (торцового) точения заготовки лаборатории резания ВНИИТС, позволяющая нивелировать изменение свойств материала заготовки по сечению [9]. Эксплуатационные свойства твердого сплава оценивали по периоду стой-кости режущей кромки инструмента до достижения критерия износа -фаски на задней поверхности h3 - 0,55 мм. Режимы резания: V= var (14(И-28 м/мин); S = 0,1 мм/об.; t = 2,0 мм. Обрабатываемый материал: сталь 45, нормализованная (НВ 170-И90) в состоянии поставки. Для сравнительных стойкостных испытаний в лабораторных условиях режущие пластины изготавливались квадратной формы с отверстием (19,0 х 19,0 х 6,1 мм) под стандартный резец с механическим креплением пластины. Геометрические параметры режущей части резца: передний угол у = - 10; задний угол а = - 10; главный угол в плане ср = 45; угол наклона режущей кромки X = 5. Подбор режимов резания для сравнительных стойкостных испытаний градиентного твердосплавного материала осуществляли таким образом, чтобы базовый образец твердого сплава обеспечивал стойкость резца до критерия износа, в пределах 15-20 мин. По результатам испытаний рассчитывал коэффициент стойкости градиентного твердого сплава по формуле: При установлении взаимосвязей между параметрами структуры, фазовым составом и свойствами композитов применялись элементы регрес-сионного анализа. В этом случае экспериментальные зависимости аппроксимировали полиномами разных порядков.
Анализ взаимосвязи фазового, химического состава материала со свойствами режущего инструмента
Эмпирические данные по определению функции F2 весьма обширны. Имеются устоявшиеся требования к выбору материала режущего инструмента для обработки различных материалов. Все данные по выбору режущего материала получены экспериментально. Имевшиеся попытки увязать выбор режущего материала с особенностями его электронного строения [ПО, 38, 139, 26] не имеют дальнейшего продолжения. В данной работе выбор материала режущего инструмента основан на достижениях физики и химии твёрдого тела преимущественно в рамках модели электронной локализации Г.В. Сам-сонова [59, 135, 271-273]. Важным показателем при эксплуатации режущего инструмента является его работоспособность, то есть такое его состояние при котором он способен выполнять свои функции, имея износ, меньший определенного критического значения. При прочих равных условиях (режим обработки, геометрия рабочей части и так далее.) значительное влияние на износ оказывает материал режущей части инструмента. Выбор материала режущей части инструмента всегда был приоритетной задачей науки и техники, технологии и теснейшим образом связан с развитием металлургии, а в последнее время порошковой металлургии. Использование на практике материалов для резания происходило поэтапно в ряду, указанном на рис. 3.13: До 1865 г. обработка материа лов осуществлялась преимущественно с использованием углеродистых и малолегированных сталей, которые сохраняли твёрдость до 150-200 С и поэтому были пригодны для обработки мягких металлов с небольшой скоростью резания. Р. Мюшеп (Англия) получил в 1865 году стали, легированные вольфрамом (W-7%, Мп-2%), которые уже позволяли обрабатывать стали и чугуны с повышенной скоростью резания (8-10 м/мин). В 1900 году Тейлором и Уайтом (США) была получена быстрорежущая сталь, содержащая 17-18% W и 5% О. В дальнейшем к этой быстрорежущей стали добавили небольшое количество V, Со. Резцы из неё смогли обрабатывать материалы со скоростью 20-25 м/мин. Появившиеся в 1923-1925 годах в Германии псевдосплавы WC-Co, первый (СССР, 1929 г.) спечённый металлокерамический твёрдый сплав «победит», позволили увеличить скорость резания еще в 2-3 раза по сравнению с резцами из быстрорежущей стали, а предельная скорость резания возросла до 500 м/мин. В начале 50-х годов прошлого века резцы начали оснащаться минералокерамическими пластинками (на основе А120з).
Скорость резания была поднята еще в 2 раза и более (до 1000 м/мин). Качественно новым этапом в материаловедении инструментальных материалов стало использование тугоплавких соединений. Следует отметить, что по предложению академика М.М. Ристича [274] все тугоплавкие соединения были названы самсонидами в честь Г.В. Самсонова, который внес в мировую науку значительный вклад в области изучения состава, структуры, свойств и технологии их получения.
В соответствии с предложенной схемой (рис. 3.13) последовательно происходило повышение содержания карбидов JVC и Сг3С2 в сталях (от углеродистых до быстрорежущих), а затем уже использование непосредственно карбидов вольфрама, что приводило к повышению твёрдости, износостойкости, красностойкости, а, следовательно, к повышению скорости резания и стойкости режущего инструмента.
Следовательно чётко прослеживается тенденция повышения твёрдости, температуры плавления по мере использования новых инструментальных материалов, рис. 3.14. Тенденция изменения фазового состава шла к большему повышению содержания карбидов (преимущественно WC) в твёрдых сплавах. Однако карбид WC среди других карбидов имеет наименьшее значение твёрдости, температуры плавления (рис. 3.15 и 3.16). В связи с этим дальнейшее свойств повышение твердых сплавов пошло за счёт включения в состав сплавов более тугоплавких, высокой твёрдости карбидов -NbC, ТаС, TiC, VC.
Но и это не решило насущной проблемы обработки материалов. Для повышения твёрдости, температуры плавления ИМ стали использовать в качестве основы более тугоплавкие карбиды - сплавы TiC + (Ni+Mo), а также другие самсониды - нитрид бора, нитрид кремния, карбид бора. Таким образом твёрдость, температура плавления используемых тугоплавких соединений приближалась к алмазу, который также нашёл широкое использование в качестве режущего инструмента.
Возросшие скорости резания при использовании твёрдых сплавов и сам-сонидов привели к повышению температуры резания в зоне контакта и интенсивному взаимодействию режущего и обрабатываемого материалов.
Следует отметить, что появление очередного нового инструментального материала в соответствии с обозначенными этапами (рис. 3.14) не означало, что автоматически исключается применение «старых» материалов. Это не так. В настоящее время в народном хозяйстве применяются все указанные режущие материалы, так как разнообразие их свойств наиболее полно отвечает их служебному назначению в конкретных процессах обработки материалов. Как видно из схемы (рис.3.14), на начальных этапах материаловедение инструментальных материалов развивалось в соответствии с развитием материаловедения в целом, то есть вначале усовершенствование материалов осуществлялось преимущественно за счёт нового химического и фазового составов, а с середины двадцатого века - за счёт создания новой структуры. Однако создание ИМ в этом направлении имело свои особенности. Вначале создавалась необходимая структура в объёме ИМ, а затем преимущественно началось использование слоистой структуры. При этом роль и влияние химического, фазового состава на работоспособность МРИ являлась определяющей и на данном этапе развития ИМ требует обобщения имеющихся данных и разработки критериев выбора для его создания.
Создание твёрдых сплавов с износостойкими покрытиями явилось новым этапом совершенствования твёрдых сплавов для обработки материалов резанием. Разработка и внедрение метода нанесения покрытий из TiC, TiN, (Ті, Al)N и других самсонидов является только первым шагом в направлении создания твёрдых сплавов с разнообразными износостойкими покрытиями для любых областей применения.
Переходные металлы, например, титан, обладают большим количеством слабо связанных атомов в наружной электронной оболочке, что обусловливает преимущественно ковалентный характер межатомной связи в карбидах и вызывает высокую твёрдость, например, карбида титана TiC При этом остается большая доля неучаствующих в ковалентной связи электронов, которые снижают температуру плавления карбида титана, рис.3.15 [59, 17], по сравнению с карбидами переходных металлов пятой группы (ниобия, тантала), где имеется меньший запас «неустойчивых» электронов (меньшая твёрдость, но более высокая температура плавления NbC по сравнению с TiC).
Модель слоистого материала с градиентным распределением свойств оптимальной конструкции
В последнее время в промышленности разработаны новые составы износостойких покрытий на основе композиционно-многослойного принципа [ПО, 286, 287]. Такие покрытия содержат несколько промежуточных слоев, каждый из которых имеет собственное функциональное назначение.
В таком материале верхний слой, контактирующий с обрабатываемым материалом (ОМ), должен иметь максимальное отличие по кристаллохимическому строению от соответствующего строения ОМ, низкую склонность к взаимодействию (или не иметь вообще) с последним и окружающей средой, т.е. должен иметь высокую стойкость к окислению. Материал нижнего слоя, непосредственно примыкающий к основе, должен иметь прочную связь с подложкой и близкое к ней кристаллохимическое строение. Вместе с тем при рабочих температурах на границе раздела основа-покрытие не должны образовываться хрупкие интерметаллиды или декарбидизующие фазы, снижающие адгезионную прочность покрытия и подложки. Нижний слой также должен иметь минимальную разницу между модулем упругости и коэффициентом линейного термического расширения.
Назначение промежуточных слоев состоит в осуществлении адгезионной связи между верхним и нижним слоями покрытия. Кроме того, они должны обладать и барьерными функциями, т.е. иметь высокую трещиностойкость, теплопроводность.
Используя данные, полученные выше и в ранее проведенных работах [288-292], получили следующую модель слоистого материала с градиентным распределением оптимальной конструкции (рис. 4.29, 4.30).
Для достижения оптимального распределения напряжений от поверхности в глубь объема материала было принято, что промежуточные слои 3-5 должны иметь достаточно низкий модуль Юнга (Е4) и высокий коэффициент линейного термического расширения (аД Для снижения уровня напряжений в верхнем слое 1 и в промежуточных слоях 3-5 приповерхностный слой 2 имеет модуль Юнга (Ез ... Е5) Е2 Ев-Соответственно его коэффициент линейного термического расширения а 5 мкм) показал, что благодаря таким законам распределения модуля Юнга и КЛТР в нижнем слое 6, в промежуточных слоях 4 и 5 возникают достаточно низкие значения относительных растягивающих напряжения (рис.4.31) и сжимающие термонапряжения (рис.4.32).
При воздействии различных комбинаций силовых и температурных факторов (рис.4.33) получили следующее: с повышением температуры уровень рабочих напряжений в промежуточных слоях смещается в область сжимающих напряжений. Можно предположить, что эти слои будут играть роль демпфера, что соответствует вышеперечисленным требованиям. При этом необходимо отметить, что в связи с высоким уровнем напряжений в приповерхностном слое 2, материал его должен иметь высокую прочность. А этого можно достичь применением многокомпонентных материалов, что и учитывалось при практической реализации модели СМГРС оптимальной конструкции.
В качестве примера материала с поверхностным градиентом свойств оптимальной конструкции для процессов резания можно предложить следующие варианты состава. Материал слоя 6 содержит соединение WC. То есть можно, например, применить двухэлементный материал (W,Zr)C (35 % WC и 65 % ZrC), который обеспечивает необходимые значения Е6 и а6. В качестве материала слоя 1 желательно использовать А1203, который хорошо зарекомендовал себя как материал с высокой износостойкостью и стойкостью к окислению и низким взаимодействием с обрабатываемым материалом. В качестве материала слоя 2 желательно использовать также многоэлементные материалы нитридных систем, например, TaN-AIN, CrNiN, HfNiN и т.п. Промежуточные слои 3-5 имеют плавное изменение свойств и являются переходом от карбидных систем к нитридным системам (это можно достичь применением соединения TiCN). В роли материала подложки рекомендуются твердые сплавы группы ВК, в частности ВК6, ВК6М и т.п. Это связано с тем, что анализ экспериментальных данных и теоретические исследования, проведенные в работах некоторых исследователей [293, 294, 35], позволили установить, что для инструментальных твердосплавных материалов по комплексу свойств (теплопроводность; циклическая прочность; прочность на изгиб и сжатие; достаточная трещиностойкость) удовлетворяют сплавы группы WC-Co (с содержанием кобальта 5.5-8 % по массе) со средне- и мелкозернистой ос-фазой (1.6-2.4 мкм; 1.0-1.6 мкм, соответственно). Таким образом, в целом, физическая модель СМГРС оптимальной конструкции может иметь, например, следующий вид (рис. 4.31-4.33): BK6+(W,Zr)C-(W,Ti)CiCiCNiN-(Cr,Ti)N-Al203 (кривая 4). Так как на данный момент получить такой материал сложно, то при аппроксимации кривых распределения модуля Юнга и КЛТР были получены композиции с применением технологий химико-термической обработки, ФОП и ХОП, наиболее близкие к оптимальным. Это такие составы: BK6+((Ti, W)C-Co)iCiCNiN, BK6+((Ti, W)C-Co)iCiCN-Al203 в которых слой {Ti,W)C имеет плавное изменение упругих и термоупругих свойств и близкое кристаллохимическое строение к материалу основы ВК6. Промежуточные слои TiCiCN осуществляют адгезионную связь между нижним слоем (Ті, W)C и верхним слоем TiN (А1203).
