ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ ПУТЁМ НАНЕСЕНИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ

INCREASING THE DURABILITY OF CUTTING TOOLS MADE OF HIGH-SPEED STEEL BY APPLYING ION PLASMA COATINGS

Kibarov Omar Aleddinovich

Student, Department of "Equipment and Technologies of Machine-building Production" Institute of Mechanical Engineering, Chemistry and Energy, Tolyatti State University

Russia, Tolyatti

Loginov Nikolay Yuryevich

Scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Department of "Equipment and technologies of machine-building production", Institute of Mechanical Engineering, Chemistry and Energy

Russia, Tolyatti

АННОТАЦИЯ

Цель работы – повышение стойкости режущего инструмента из быстрорежущей стали Р6М5 за счёт нанесения ионно-плазменных PVD-покрытий и выбор оптимального типа покрытия для обработки конструкционных сталей. Метод: покрытия TiN, TiAlN, AlCrN наносили дуговым PVD-методом на установке «Булат-6». Проведены металлографические исследования, измерение микротвёрдости, скретч-тестирование, трибологические испытания по схеме «палец–диск», а также промышленные испытания свёрл и токарных резцов. Результат: покрытие TiAlN имеет микротвёрдость 3100 HV, критическую нагрузку адгезии 42 Н, коэффициент трения 0,32. Стойкость свёрл с TiAlN возросла в 3,5 раза (420 отверстий против 120), резцов – в 3,2 раза. Экономический эффект – 836 руб. на 1000 отверстий. Выводы: покрытие TiAlN является оптимальным по соотношению свойств и стоимости для серийной обработки конструкционных сталей инструментом из Р6М5.

ABSTRACT

The aim of the work is to increase the durability of cutting tools made of high–speed steel P6M5 by applying ion plasma PVD coatings and choosing the optimal type of coating for processing structural steels. Method: TiN, TiAlN, and AlCrN coatings were applied by the PVD arc method on the Bulat-6 installation. Metallographic studies, microhardness measurements, scratch testing, tribological finger-disc tests, as well as industrial tests of drills and turning tools were carried out. Result: the TiAlN coating has a microhardness of 3100 HV, a critical adhesion load of 42 N, and a coefficient of friction of 0.32. The durability of TiAlN drills increased 3.5 times (420 holes versus 120), and of chisels by 3.2 times. The economic effect is 836 rubles per 1000 holes. Conclusions: the TiAlN coating is optimal in terms of properties and cost for serial processing of structural steels with a P6M5 tool.

Ключевые слова: быстрорежущая сталь Р6М5; PVD-покрытия; TiAlN; стойкость режущего инструмента; ионно-плазменное напыление; износостойкость; адгезия.

Keywords: high-speed steel P6M5; PVD coatings; TiAlN; cutting tool durability; ion plasma spraying; wear resistance; adhesion;

В современной технике увеличивается объем использования новых конструкционных материалов, обладающих особыми свойствами: высокими показателями твердости, прочности, вязкости, коррозионной стойкости, жаропрочности при низкой теплопроводности. Обработка резанием таких материалов сопряжена с большими трудностями. Высокая температура, развивающаяся в зоне контакта с обрабатываемым материалом, вызывает разупрочнение стандартных твердых сплавов и, как следствие этого, резкое снижение стойкости инструмента и скорости резания. Поэтому актуальна проблема создания нового инструментального материала с более высоким уровнем эксплуатационных свойств при обработке труднообрабатываемых сплавов. [1].

Однако, вследствие неизменности химического состава и, как следствие, свойств покрытия в пределах одного слоя, на границе с инструментальной основой происходит резкое изменение физико-механических и теплофизических свойств (в первую очередь модуля упругости и коэффициента термического расширения), приводящее к образованию в покрытии высоких остаточных напряжений. В результате этого снижается прочность сцепления покрытия с основой и, как следствие, уменьшается стойкость режущего инструмента [2]

Особенно остро эта проблема стоит при обработке труднообрабатываемых материалов: жаропрочных сплавов, нержавеющих сталей. Ресурс инструмента из быстрорежущей стали Р6М5 в таких условиях часто не превышает 15–20 минут. Один из наиболее эффективных способов продлить срок службы – нанесение износостойких покрытий методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). Метод дугового испарения позволяет формировать плотные, высокотвёрдые слои при 400–550 °C, что критически важно для быстрорежущих сталей – их разупрочнение начинается выше 600 °C. В работе проведён системный анализ покрытий TiN, TiAlN и AlCrN, нанесённых на сталь Р6М5, и даны рекомендации для серийного производства.

В качестве объектов исследования использовали спиральные свёрла диаметром 8 мм из стали Р6М5 (ГОСТ 10903-77) токарные проходные резцы (ГОСТ 18877-73) из той же марки стали.

Выбор оптимального износостойкого покрытия и технологии его нанесения в целях повышения долговечности конкретного инструмента является актуальной проблемой. В представленной работе приведен сравнительный анализ свойств износостойких покрытий и соответственно технологий их нанесения на основе определения физико-механических и трибологических характеристик материала покрытия для упрочнения сверл, в том числе изготовленных из порошковой быстрорежущей стали. [3]

Покрытия наносили на пластины из быстрорежущей стали Р6М5 на установке "Булат-6" с использованием катодов, материалы которых включали элементы покрытия и основы, общая толщина износостойкой композиции, включающей в себя основное покрытие и ПАС, изменялась в пределах от 3,5 до 8,0 мкм, толщина ПАС - от 1,5 до 4,5 мкм. [2].

Структуру изучали на оптическом микроскопе Olympus BX51 и РЭМ JEOL JSM-6390. Микротвёрдость измеряли на ПМТ‑3 при нагрузке 50 г Адгезию оценивали скретч-тестированием на Revetest по ASTM C1624. Трибологические испытания проводили по схеме «палец–диск» (контртело – сталь ШХ15, нагрузка 10 Н, скорость 0,1 м/с, путь 1000 м) по ГОСТ 23.207‑79. Промышленные испытания свёрл и резцов выполняли на станках 16К20 и 2Н135 при обработке стали 45 (200 HB). Режимы резания: для сверления – v=20 м/мин, s=0,12 мм/об, для точения – v=40 м/мин, s=0,2 мм/об, t=1,0 мм. Критерий затупления – износ по задней поверхности 0,4 мм для свёрл и 0,5 мм для резцов.

Все покрытия сплошные, без видимых трещин и отслоений. Микроструктура – столбчатая. У TiAlN столбцы тоньше (0,1–0,3 мкм), чем у TiN (0,2–0,5 мкм), за счёт легирования алюминием, затрудняющим рост зерна. Микротвёрдость и критическая нагрузка адгезии (Lc) приведены в таблице 1

Таблица 1.

Свойства покрытий на стали Р6М5

Покрытие TiAlN показало оптимальное сочетание твёрдости и адгезии. Более высокие значения AlCrN сопровождаются значительным ростом стоимости.

Непокрытая сталь Р6М5 имеет коэффициент трения μ=0,65 и интенсивность изнашивания I=4,2·10⁻⁶ мм³/(Н·м). Покрытие TiN снижает μ до 0,45, I – до 2,1·10⁻⁶. Наилучшие показатели у AlCrN (μ=0,35, I=1,4·10⁻⁶), однако TiAlN также демонстрирует низкий коэффициент трения (0,32) и интенсивность изнашивания 1,5·10⁻⁶ мм³/(Н·м), что лишь незначительно уступает AlCrN .

Стойкость свёрл с разными покрытиями приведена в таблице 2. Наибольшее число отверстий (450) обеспечило покрытие AlCrN, но TiAlN показало 420 отверстий – в 3,5 раза больше, чем у непокрытого инструмента. При этом стоимость нанесения AlCrN примерно в 2,2 раза выше, чем TiAlN.

Таблица 2.

Стойкость свёрл (сталь 45, Ø8 мм)

Для токарных резцов картина аналогична: TiAlN увеличивает стойкость в 3,2 раза (380 деталей против 120). Характер износа инструмента с TiAlN – равномерный абразивный износ по задней поверхности, без сколов и отслоений покрытия. У непокрытых свёрл после 100–120 отверстий наблюдалось налипание металла и выкрашивание режущих кромок.

Затраты на инструмент на 1000 отверстий для непокрытых свёрл составляют 1250 руб., для свёрл с TiAlN – 714 руб. (с учётом стоимости нанесения 150 руб. на одно сверло). Экономия только на инструменте – 536 руб. С учётом сокращения простоев на замену (11,9 мин на 1000 отверстий, стоимость станко-часа 1500 руб.) дополнительная экономия – 300 руб. Итого – 836 руб. на 1000 отверстий. По критерию «стойкость/стоимость» TiAlN превосходит TiN на 15% и является более выгодным, чем AlCrN .

Ионно-плазменные PVD-покрытия TiN, TiAlN, AlCrN, нанесённые на сталь Р6М5, существенно повышают микротвёрдость, адгезию и трибологические свойства.

Покрытие TiAlN (толщина 3–4 мкм) обеспечивает оптимальное сочетание свойств: твёрдость 3100 HV, критическая нагрузка 42 Н, коэффициент трения 0,32.

Промышленные испытания подтвердили рост стойкости свёрл в 3,5 раза, резцов – в 3,2 раза по сравнению с непокрытым инструментом.

Экономический эффект от применения TiAlN составляет 836 руб. на 1000 отверстий, срок окупаемости – от 1 до 4,5 месяца в зависимости от объёма выпуска.

Для серийной обработки конструкционных сталей инструментом из быстрорежущей стали Р6М5 рекомендовано покрытие TiAlN [1].

Список литературы:

1. Верещака А.С., и др. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. – М.: Машиностроение, 1993.
2. Табаков В.П., Рандин А.В. Влияние конструкции ионно-плазменных покрытий на величину остаточных напряжений и прочность сцепления с инструментальной основой // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2005. – № 3. – С. 18–23.
3. Тополянский П. А., Ермаков С. А., Соснин Н. А., Тополянский А. П. Сравнительный анализ свойств износостойких покрытий для повышения стойкости сверл // Металлообработка. — 2013.