Способ выбора оптимального материала наружного слоя износостойкого покрытия режущего инструмента

 

Изобретение относится к производству инструмента для обработки резанием. Цель изобретенияповышение эффективности за счет выбора более износостойкого покрытия применительно к обрабатываемому материалу. Поставленная цель достигается тем, что при выборе оптимального материала наружного слоя износостойкого покрытия , при котором выбирают из группы материалы с максимальным значением твердости и прочности сцепления с материалом державки и для каждого из них опреИзобретение относится к инструментам для обработки резанием и может быть использовано в инструментальном производстве . Ближайшим к заявляемому техническим решением является способ выбора материала слоев режущей пластины с износостойким покрытием. деляют параметр, с учетом которого производят выбор, новым является то, что используют образцы из обрабатываемого материала, нагружают их соответствующими сферическими инденторами одинакового радиуса из материала державки как без покрытия, так и с покрытиями из отобранных материалов, путем поворота индентора на один и тот же угол под одной и той же нормальной нагрузкой, измеряют в каждом случае сопротивление сдвигу, прирост силы трения и номинальную площадь трения. В качестве параметра определяют минимальный из коэффициентов адгезйонной активности, которые находят из уравненияКадг} Р ; га S a/F а т S t, где FI . т. Si - соответственно прирост силы трения, сопротивление сдвигу и номинальная площадь трения при нагружении индентором с покрытием, F э.тл, соответственно прирост силы трения, сопротивление сдвигу и номинальная площадь трения при нагружении индентором без покрытия. Предлагаемый способ обеспечивает повышение износостойкости и улучшение условий резания. 1 ил. 1 табл. Наружный слой этого многослойного покрытия выбран из условия наибольшей твердости, внутренней - наибольшей вязкости и адгезионной прочности относительно подложки, промежуточный - переменной твердости и прочности сцепления с наружным и внутренним слоями. Такой способ выбора материала покрытия , основанный на отборе материалов по СО С XJ N0 VI О О ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ .

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5, G 01 N 3/58

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К. АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4854879/28 (22) 27.07.90, (46) 23.02.93. Бюл. ¹ 7 (71) Украинский научно-исследовательский институт специальных сталей, сплавов и ферросплавов и Всесоюзный межотраслевой научно-технический кооператив "Практика" (72) Ю.Н.Внуков, А,С.Учаев, А,С.Сальников, А.А.Марков. Ю.А.Фешков, А.М.Котляр и

А,И.Пуценко (56) Патент Японии N. 6315623, кл. В 23 В 27/14, 1988. (54) СПОСОБ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОГО

МАТЕРИАЛА НАРУЖНОГО СЛОЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ- РЕЖУЩЕГО

ИН CTPYME НТА (57) Изобретение относится к производству инструмента для обработки резанием. Цель изобретения — повышение эффективности за счет выбора более износостойкого покрытия применительно к обрабатываемому материалу. Поставленная цель достигается тем, что при выборе оптимального материала наружного слоя износостойкого покрытия, при котором выбирают иэ группы материалы с максимальным значением твердости и прочности сцепления с материалом державки и для каждого из них опреИзобретение относится к инструментам для обработки резанием и может быть использовано в инструментальном производстве.

Ближайшим к заявляемому техническим решением является способ выбора материала слоев режущей пластины с износостойким покрытием.

„„Я, „„1797009 А1 деляют параметр, с учетом которого производят выбор, новым является то, что используют образцы из обрабатываемого материала, нагружают их соответствующими сферическими инденторами одинакового радиуса из материала державки как без покрытия, так и с покрытиями иэ отобранных материалов, путем поворота индентора на один и тот же угол под одной и той же нормальной нагрузкой, измеряют в каждом случае сопротивление сдвигу, прирост силы трения и номинальную площадь трения. В качестве параметра определяют минимальный из коэффициентов адгезионной активности, которые находят иэ уравненияК,дг,.= F ra $ a/F а 7 S I, где Fi, т1, Si — соответственно прирост силы трения, сопротивление сдвигу и номинальная площадь трения при нагружении индентором с покрытием, F з, t л, Яэ- соответственно прирост силы трения, сопротивление сдвигу и номинальная площадь трения при нагружении индентором без покрытия. Предлагаемый способ обеспечивает повышение износостойкости и улучшение условий резания. 1 ил. t табл.

Наружный слой этого многослойного покрытия выбран из условия наибольшей твердости, внутренней — наибольшей вязкости и адгезионной прочности относительно подложки, промежуточный — переменной твердости и прочности сцепления с наружным и внутренним слоями.

Такой способ выбора материала покрытия, основанный на отборе материалов по

179 ru09 и:, твердости и прочности сцепления с подлокккой или смежными слоями, не обеспечивает высокой износостойкости и благоприятных условий резания, так как испытания зачастую выявляют случаи, когда при более высоких твердости и прочности гн пления покрытий с подложкой их стойкостные свойства ниже, чем у других покрытий.

Цель изобретения — повышение эффек- "0 тивности за счет выбора более износостойкого покрытия применительно к обрабатываемому материалу.

Поставленная цель достигается тем, что при выборе оптимального материала наружного слоя износостойкого покрытия, при котором выбирают из группы материалы с минимальным значением твердости и прочности сцепления с материалом державки и для каждого из них определяют пара- 20 метр, с учетом которого производят выбор, используют образцы из обрабатываемого материала, нагру>ка от их соответствующими сферическими инденторами одинакового радиуса из материала державки как без покрыл ия, так и с покрытием из отобранных материалов путем поворота индентора на

Один и то г жо цикл под Од! Iol и той же нормальной нагрузкой, измеря1от в каждом случае сопротивление сдвигу, прирост силы 30 трения и номинальную площадь трения, а в качестве параметра определяют минимальный из коэффициентов адгезионной активности, которые находят из уравнения гдс Е, т;, SI — соответственно приростсилы трения, сопротивление сдвигу и номинальная площадь трения при нагружении индентором с покрытием;

Рь, t5, S3 — соответственно прирост силы трения, сопротивление сдвигу и номинальная площадь трения при погружении индентором без покрытия, На чертеже показан общий вид устройства для осуществления предлагаемого способа.

Устройство выполнено в виде грибометра и содержит станину 1, к которой прикреплена рама 2 с осями 3. Между осями 3 в держателях 4 установлены плоские образцы

5 из обрабатываемого материала. Между образцами 5 в поворотном диске 6 закреплен индентор 7 со сферическими поверхносгями. Нижняя ось через нижнюю шаровую

Опору Б связана с гайкой 9, а верхний конец верхней оСи — с призмой 10, которая контактирует с рычагом 11, На втором конце рычага 11 подвешен груз 12, Поворотный диск кинематически связан с ходовой гайкой 13, установленной на ходовом винте 14, соединенным с электродвигателем 15, На ходовой гайке установлены тензодатчики 16, связанные через усилитель с двухкоординатным самопишущим потенциометром 18.

Образец — индентор 7 со сферическими поверхностями из инструментальной стали, на который наносится тонкая пленка (из исследуемого состава покрытия), закрепляется в поворотном диске 6 и устанавливается строго вертикально по оси действия нагрузки между двумя плоскими образцами 5 из обрабатываемого материала, Выбор зазоров и поджим осуществляется гайкой 9 через нижнюю шаровую опору 8. Затем при помощи грузов 12 и рычага 11 создается необходимая нагрузка, которая через призму 10 передается в область контакта шаровых поверхностей индентора и плоских поверхностей образцов. Необходимые температурные условия в зонах контакта создаются путем про пускания через них электрического тока. Плоскопараллельные образцы из обрабатываемого материала закрепляют в водоохлаждаемых медных дер>кателях 4, изолированных от корпуса трибометра. При осуществлении способа поворачивают закрепленный в диске 6 индентор 7, вращая от двигателя 15 ходовой винт 14 и перемещая по нему ходовую гайку

13. При этом информация с тензодатчиком

16 усиливается и записывается самопишущим потенциометром 18. В предлагаемом способе адгезионная активность фрикционного контакта оценивается уровнем прироста поверхности фактического сдвига при его перемещении — h S:

4 экс сд где Л F3Kc — прирост силы трения при постоянной для всех случаев величине угла поворота hp индентора (определяется экспериментально); тсд — сопротивление обрабатываемого материала сдвигу, зависит от нагрузки N (упрочнение) и температуры Т (разупрочнение) в контакте, экс пр сд—

1797009

S =- Я + Я2, Si—

25 приведены в таблице, По таблице выбрали в качестве оптимального материала для наружного слоя

35

ЛSi

Кадг = д подл

4 Fi Тподл подл

40 гподл ц Si

55 где F3Kc — предельная сила трения (определяется эксперементально );

S - -поверхность трения (общая поверхность сферических отпечатков на образцах) фрикционного контакта, рассчитывается по формуле где Si, S2 — поверхность трения индентора с верхним и нижним образцами, где D — диаметр шаровой поверхности индентора. мм;

d — диаметр отпечатка, мм;

i — верхняя или нижняя поверхность трения.

Для оценки коэффициента относительной адгезионной активности испытываемого материала к обрабатываемому материалу по сравнению с адгезионной активностью подложки к обрабатываемому материалу эксперимент необходимо проводить дважды. Первый раз записывают кривую роста нагрузки Гако при вращении индентора без покрытия, а второй раз с покрытием. Измеряя прирост силы трения Fggc на одинаковом угле поворота индентора Ар, а также диаметры D1 и D2 шаровых поверхностей и величины лунок d> и d2, рассчитывают коэффициент относительной адгезионной активности Кадг r!o формуле где Л S i — адгезионная активность индентора с износостойкой пленкой к обрабатываемому материалу;

ЛЯподл — адгезионная активность подложки (быстрорежущая сталь) к обрабатываемому материалу;

Л Р(, Л Гподл — прирост силы трения; т;, гподл — сопротивление сдвигу для испытываемого материала и материала подложки, Обязательным условием испытаний должно быть сохранение постоянными для обоих случаев нормальной нагрузки

N, температуры испытания t С и шерохо5

15 ватости фрикционного контакта R>, Изменяя нормальную нагрузку N или температуру в контакте, можно проследить влияние упрочнения или разупрочнения обрабатываемого материала на адгезионную активность контактируемых материалов.

Выбрали оптимальный материал для наружного слоя многослойного износостойко1 го покрытия из нитридов переходных металлов в инструменте для резания стали

45 и 12Х18Н10Т. Исследование твердости нитридов позволило отобрать в качестве возможного материала для наружного слоя

FiN, ZrN, HfN, VN, NbN, GrN, MoN. Коэффициент относительной адгезионной активности был определен с помощью трибометра описанной конструкции. Для этого на образцы — инденторы из быстрорежущей стали

Р6М5, принятой в качестве материала подложки, наносили пленки из каждого из отобранных материалов. Результаты измерений и расчета коэффициентов относительной адгезионной активности износостойкого покрытия на быстрорежущей стали P6M5: для резания стали 45— нитрид ниобия NbN, для резания стали

12Х18Н10Т вЂ” нитрид титана TiN, как имеющие наименьшее значение коэффициента относительной адгезионной активности относительно этих обрабатываемых материалов.

Использование предлагаемого способа, основанного на учете адгезионной активности при выборе оптимальной пары наружный слой износостойкого покрытия— обрабатываемый материал, позволяет учесть особенности резания данного конкретного материала, В известных инструментах наружный слой износостойкого покрытия выбран по критериям твердости и прочности сцепления с подложкой или смежными слоями покрытия. Вместе с тем эффективность износостойких покрытий определяется не только этими свойствами. Износостойкость инструмента повышается не столько за счет твердости покрытия. сколько вследствие изменений условий трения инструмента и обрабатываемого материала. Предлагаемый способ, учитывающий этот фактор, обеспечивает повышение износостойкости и улучшения условий резания.

1797009

Формула изобретения

Способ выбора оптимального материала наружного слоя износостойкого покрытия режущего инструмента, заключающийся втом,,что выбирают из группы материалы с максимальными значениями твердости и прочности сцепления с материалом державки и для каждого из них определяют параметр. с учет.ом которого производят выбор, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности за счет выбора более износостойкого покрытия применительно к обрабатываемому материалу, используют образцы из обрабатываемого материала, нагружают их соответствующими сферическими инденторами одинакового радиуса из материала державки как без покрытия, так и с покрытием из отобранных материалов, путем поворота индентора на один и тот же угол под одной и той же нормальной нагрузкой, измеряют в каждом случае сопротивление сдвигу, прирост силы трения и номинальную площад . трения, а в качестве параметра определяют

5 минимальный из коэффициентов адгезионной активности, которые находят из уравн,». ния где FI, т, St -соответственно приростсилы трения, сопротивление сдвигу и номинальная площадь трения при нагружении индентором с покрытием;

F a. tb. S ь — соответственно прирост силы трения, сопротивление сдвигу и номинальная площадь трения при нагружении индентором без покрытия.