Использование технологии и оборудования лазерной упрочняющей обработки для инструментального производства.

Механизм лазерной термообработки (ЛТО) заключается в высокоскоростном нагреве поверхностного слоя металла под действием лазерного излучения миллисекундного диапазона длительности до температур, превышающих температуру фазовых превращений, но не достигающих температур плавления.

Возникающая в зоне лазерного воздействия структура обладает повышенной твердостью и износостойкостью. Значение глубины упрочненного слоя 50-100 мкм.

Стойкость инструмента, обрабатываемого ЛТО, существенным образом зависит от совместного влияния режимов упрочнения и режимов эксплуатации.

Достоинства ЛТО:

1. локальность упрочнения

2. возможность упрочнения в труднодоступных местах

3. отсутстсвие деформации обрабатываемого инструмента

4. возможность использования инструмента после переточки

5. экологическая чистота метода

Перспективы применения:

1.снижение затрат на дорогостоящий инструмент и легированный инструмент

2.простота автоматизации процесса

Лазерная закалка и легирование режущих инструментов

При воздействии лазерного луча на быстрорежущие стали создаются новые упрочняющие фазы, выделение дисперсных карбидов и уменьшение степени неоднородности мартенсита.

При ЛТО твердых сплавов происходит повышение плотности дефектов кристаллического строения и измельчение всех элементов структуры.

При воздействии ЛТО на режущую керамику (минераллокерамику) происходит заполнение поверхностных трещин и создание в поверхностном слое напряжений сжатия.

 

22 Методы физического осаждения износостойких покрытий [методы ФОП), получившие название в мировой практике PVD.

Методы физического осаждения покрытий основаны на испарении вещества в вакуумное пространство камеры с подачей реакционного газа (N2, O2, CN4 и др.). Среди методов физического осаждения покрытий наибольшее распространение получили:

· конденсация веществ из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой (метод КИБ);

· магнитронно-ионное распыление (метод МИР);

· ионное плакирование и его разновидность (метод АRE).

Широкие возможности варьирования температуры от 20-1000°С в зонах нанесения покрытий позволяют использовать методы ФОП в качестве универсальных для нанесения покрытий на режущий инструмент и металлические изделия. Методы ФОП универсальны также и с точки зрения получения гаммы монослойных, многослойных и композиционных покрытий на основе нитридов, карбидов, карбонитридов, оксидов, боридов тугоплавких металлов. В качестве покрытий ФОП наиболее распространены TiN, TiCN и TiAlN.

Метод катодно-ионной бомбардировки (КИБ) основан на генерации вещества катодным пятном вакуумной дуги сильноточного низковольтного разряда, развивающегося исключительно в парах материала электрода.

Подача в вакуумное пространство реагирующих газов (азота, метана и др.) в условиях ионной бомбардировки приводит к конденсации покрытия на поверхности РИ благодаря протеканию плазмохимических реакций.

Все процессы испарения, образования соединений, ионной бомбардировки и конденсации покрытий происходят в вакуумной камере, металлический корпус которой служит анодом. Катод изготовляют из тугоплавкого материала, подлежащего испарению. Особенность метода КИБ - это высокая химическая активность испаряющегося материала, обусловленная образованием конденсата при электродуговом испарении материала катода, за счет которого конденсат преобразуется в высоко ионизированный поток низкотемпературной плазмы. Важное преимущество метода КИБ – низкий температурный режим процесса, что позволяет наносить покрытия как на твердосплавный, так и на из быстрорежущий РИ.

Магнетронно-ионное распыление (МИР) использует в качестве испарителя пластину-мишень, которая подключена к отрицательному потенциалу как катод. Под влиянием магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, расположенным за катодом-мишенью, электроны совершают движение по циклоидальным траекториям в узкой зоне над мишенью. При этом степень распыления и плотность ионного потока увеличивается на порядок, по сравнению с простым диодным распылением.

Ионное плакирование рабочих поверхностей РИ происходит в результате испарения тугоплавкого вещества в вакуумное пространство после его расплавления электронно-лучевой пушкой и подачи реакционного газа в вакуумное пространство. Мощность электронного луча составляет около 12 кВт, отрицательный потенциал на режущем инструменте составляет до 5 кВ при I = 2 А, давление газа в момент конденсации покрытия составляет 0,05 - 0,1 Па (N2, C2H2, CH4 и др.). Недостатками метода являются: низкая прочность адгезионной связи покрытия и инструментальной основы; низкая производительность метода, чрезвычайно большие затраты на процесс; сложность процесса плакирования, что требует применения ЭВМ для управления.

 

23 Типовые составы многослойных ХОП (С VD) - покрытий твёрдосплавного инструмента и области их применения.

Все покрытия, используемые на режущем инструменте, можно классифицировать:

1) По составу – одноэлементные, многоэлементные, многокомпонентные, композиционные.

2) По строению – однослойные и многослойные

Многослойные покрытия – соединения нескольких слоев. Слой №5 – непосредственно премыкающий к инструментальной основе – должен обеспечивать прочную агдезионную связь между покрытием и инструментальным материалом, поэтому его строение должно быть максимально идентично инструментальному материалу.

Основную функцию выполняет слой №1, который непосредственно контактирует с обрабатываемым материалом, поэтому при выборе свойств материала №1 необходимо, чтобы его строение максимально отличалось от обрабатываемого материала.

Слой №3 выполняет барьерные функции и осуществляет замедление диффузионных процессов между инструментом и обрабатываемой деталью, снижает интенсивность теплового потока в инструмент.

Промежуточные слои №2 и№4 осуществляют связь между слоями 1 и 3 и 3 и 5.

 

Влияние толщины покрытия TiN (метод КИБ) на прочность при изгибе, образцов из быстрорежущей стали Р6М5. Влияние температуры конденсации Тк на период стойкости Т пластин ВК6 с покрытием TiN.

Нанесение покрытий, полученных методом КИБ, оказывает существенное влияние на прочностные характеристики инструментальных материалов. Большую роль при этом оказывает ионная бомбардировка, которая изменяет предел прочности твердых сплавов на изгиб и заметно снижает ее вариационные разбросы. Эффективность ионной бомбардировки в значительной степени зависит от температуры (энергии ионов). При ее оптимальном значении (для твердых сплавов около 1000 оС) средняя прочность на изгиб увеличивается на 10…15 %, а вариационные разбросы прочности снижаются на 40…80 %. Наибольшая стабилизация прочностных свойств твердых сплавов достигается бомбардировкой ионами Сr и Ti, которые наиболее эффективно воздействуют на поверхностные дефекты структуры твердого сплава вследствие более низкой энергии активизации. Последующая конденсация покрытия вакуумно-плазменным методом КИБ лишь незначительно изменяет значения показателей прочности. В наибольшей степени стабилизируется прочность мелкозернистых и особо мелкозернистых твердых сплавов (ВК6-М, ВК6-ОМ, ВК10-М), влияние процессов ионной бомбардировки и последующей конденсации покрытия в меньшей степени сказывается на прочности сплавов ВК6, Т5К10 и быстрорежущей стали Р6М5.

Изменяя химический состав покрытия и параметры ионной бомбардировки (давление, состав катода-испарителя, время воздействия и т. д.), можно заметно стабилизировать прочность инструментального материала. В свою очередь, стабилизация прочностных характеристик инструментального материала увеличивает надежность режущего инструмента в результате, прежде всего, стабилизации периода стойкости инструмента.