ГЛАВА 2
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Оборудование и инструменты, оснащенные ПСТМ на основе КНБ, для
исследования процесса обработки. Обрабатываемые материалы
Обработка производилась с использованием исследовательского стенда на базе
токарно-винторезного станка ФТ-11 в условиях продольного точения (рис. 2.1).
Стенд включает: станок, динамометр, АЦП, компьютер, коммуникации.
Для исследования процесса точения использовались проходные резцы CRDPR25ґ25 с
механическим креплением режущих пластин RNMN 070300Т, RNMN 120300Т
(ТУ2-037-636-89) (рис. 2.2).
В качестве обрабатываемых материалов использовались стали ШХ15 (60–62 HRC) и
ХВГ (50–55 HRC), маслотный чугун, наплавка на никелевой основе Св-08Х18Н9Г7Т
(28–45 HRC), твердые сплавы ВК15, ВК20, ВНК25, ВК30.
Рис. 2.1. Стенд на базе токарно-винторезного станка ФТ-11
а б
Рис. 2.2. Инструменты, используемые в работе:
а) с пластиной RNMN 070300Т;
б) с пластиной RNMN 120300Т
2.2. Выбор вариантов защитных покрытий на режущем инструменте
Учитывая механизм изнашивания режущих инструментов, оснащенных ПСТМ на основе
КНБ, связанный с химическим взаимодействием в зоне резания [48], одной из
основных функций покрытия, наряду с перераспределением контактных напряжений на
рабочих поверхностях инструмента, является ликвидация или снижение
интенсивности химического взаимодействия КНБ с обрабатываемым материалом и его
окисления.
Как показано исследованиями многих авторов [85–88], для комплексной защиты
режущих инструментов от гаммы одновременно отрицательно влияющих факторов
процесса резания целесообразно применять многослойные покрытия. При этом,
многослойное покрытие должны выбираться таким образом [87], что бы величины
температурных напряжений при переходе от одного слоя покрытия к другому
незначительно отличались по величине, а их знак должен выбираться в
соответствии с условиями работы инструмента. Анализ результатов исследований
таких покрытий показывает [87]:
– для получения работоспособного при динамических нагрузках инструмента с
многослойными покрытиями необходимо выбрать сочетание первого и второго слоев
покрытия, для которого на первое покрытие действуют сжимающие напряжения, что
снизит вероятность появления трещин в покрытии;
– отличие напряжений по величине при переходе от первого слоя покрытия ко
второму не должно превышать 30 %, что позволит избежать значительных по
величине динамических температурных напряжений в переходной зоне от одного слоя
покрытия к другому, что, в свою очередь, снизит вероятность отслаивания слоев
покрытия.
Покрытиями на режущих инструментах, оснащенных ПСТМ на основе КНБ, отвечающими
указанным требованиям, является слоистое PVD-покрытие Ti-NbN-Al2O3 с верхним
слоем из оксида алюминия (рис. 2.3 [89]). Слоистая структура покрытия,
включающая три участка, обусловлена следующими соображениями: тонкий слой Ti
обеспечивает высокую адгезионную связь между покрытием и основой; слой NbN
минимизирует интенсивность химического взаимодействия инструментального
материала на основе КНБ с обрабатываемым; слой Al2O3 обеспечивает отсутствие
непосредственного взаимодействия инструментального материала на основе КНБ с
кислородом воздуха, т.е. минимизирует его окисление с образованием
легкоплавкого борного ангидрида В2O3.
Рис. 2.3. Конструкция многослойных покрытий на режущих элементах из ПСТМ на
основе КНБ
Как показано в [87], отношение динамических температурных напряжений в слое
покрытия (Al2O3) к напряжениям во втором слое покрытия (NbN) близко к
указанному выше ограничению – составляет 35 %. При этом в первом слое покрытия
формируются сжимающие напряжения.
В качестве подложки использовалась режущая пластина из ПСТМ на основе КНБ,
содержащая 3 масс.% Si3N4, полученная при оптимальных технологических
параметрах.
Нанесение покрытий Al2O3-NbN-Ti (рис. 2.4) выполнялось в Национальном
физико-технологическом центре МОН и НАН Украины (г. Харьков).
Рис. 2.4. Режущие пластины RNGN 120300T и RNGN 070300 на основе КНБ с защитными
покрытиями
На рис. 2.5 представлены фотографии передней поверхности инструмента,
оснащенного ПСТМ, с различными покрытиями.
Физико-механические свойства материалов подложки и покрытия представлены в
табл. 2.1 [90].
Рис. 2.5. Внешний вид передней поверхности инструмента с покрытиями ґ1000:
а – Al2O3-NbN;
б – TiN производства компании Kyocera;
в – TiN производства С.-Петербургского Государственного технического
университета (Россия);
г – TiN производства Института проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины
(г. Киев)
Таблица 2.1
Физико-механические свойства материалов
Материал
Модуль
Коэффициент Пуассона
Коэффициент линейного расширения, aЧ10-6 К-1
Теплопроводность, Вт/(мЧК)
Теплоемкость, Дж/(мольЧК)
упругости Е, ГПа
сдвига G, ГПа
Al2O3
400
161
0,24
8,5
25
36,9–129,3
NbN
400
110
0,26
6,9
10,6–16,0
48,3–64,9
BN
850
360
0,18
2,558
100
30–50
2.3. Проведение модельных экспериментов по контактному взаимодействию между
материалом инструментального композита, защитного покрытия и элементами из
составов обрабатываемых материалов
Исследование взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов
проводилось в модельных системах, содержащих нитрид бора либо нитрид кремния и
металлы никель, хром, железо и их смеси в различных соотношениях.
Использовались следующие материалы: кубический нитрид бора КМ 7/5, нитрид
кремния "Штарк", никель электролитический, хром электролитический, железо
карбонильное, нитрид ниобия.
Смеси компонентов КНБ или