ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Современным подходом к улучшению эксплуатационных свойств режущего инструмента является нанесение на его поверхность функциональных слоев на основе карбидов, нитридов, оксидов таких металлов, как титан, хром, алюминий, кремний и т.д. Несмотря на множество технологий нанесения покрытий на режущий инструмент, большинство из них обладают такими недостатками, как сложность оборудования, ограниченная геометрия покрываемых изделий, ограниченный элементный состав наносимых покрытий, низкие эксплуатационные свойства получаемых покрытий. Вышеуказанные недостатки отсутствуют у технологии диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов. Цель работы: анализ влияния диффузионного титанирования из среды легкоплавких жидкометаллических растворов на износосойкость твердосплавного инструмента и качество механической обработки резанием. Методами исследования являлись испытания на макро- и микротвердость, микрорентгеноспектральный анализ, рентгенофазовый анализ, натурные испытания на стойкость инструмента и на качество обработанных деталей. Результаты и обсуждение. Выявлено, что функциональные диффузионные титановые слои, получаемые при помощи диффузионного титанирования из среды легкоплавких жидкометаллических растворов, формируются на базе карбида титана TiC. При этом характерно наличие двух слоев – поверхностного, имеющего микротвердость порядка 30 000 Мпа, и переходного, характеризующегося плавным снижением микротвердости и изменением концентрации титана. Было выявлено, что структура диффузионного слоя и переходной зоны зависит от температуры диффузионного насыщения, от длительности диффузионного насыщения, а также от режимов последующей термической обработки. Разработанная технология позволяет увеличить стойкость инструмента по сравнению с инструментом, не имеющим покрытие, до 7,4 раза, а также, имеющим PVD-покрытие, до 1,85 раза в зависимости от группы резания и скорости обработки. Наиболее эффективны покрытия при высоких скоростях резания – 190 м/мин. При этом параметр шероховатости R_a снижается до двух раз в зависимости от группы резания и режимов обработки.

1. Соколов А.Г., Бобылёв Э.Э. Элементно-фазовый состав и свойства диффузионных титановых покрытий на режущем твердосплавном инструменте типа ТК и ВК // Письма о материалах. – 2017. – Т. 7, № 3. – С. 222–228. – doi: 10.22226/2410-3535-2017-3-222-228.

2. Effect of titanium carbide coating on the osseointegration response in vitro and in vivo / M. Brama, N. Rhodes, J. Hunt, A. Ricci, R. Teghil, S. Migliaccio, C. Della Rocca, S. Leccisotti, A. Lioi, M. Scandurra, G. De Maria, D. Ferro, F. Pu, G. Panzini, L. Politi, R. Scandurra // Biomaterails. – 2007. – Vol. 28, iss. 4. – P. 595–608. – doi: 10.1016/j.biomaterials.2006.08.018.

3. On the effect of the substrate to target position on the properties of titanium carbide/carbon coatings / J. Daniel, P. Soucek, L. Zábranský, V. Buršíková, M. Stupavská, P. Vašina // Surface And Coatings Technology. – 2017. – Vol. 328. – P. 462–468. – doi: 10.1060/j.surfcoat.2017.06.076.

4. Formation of titanium carbide (TiC) and TiC@C core-shell nanostructures by ultra-short laser ablation of titanium carbide and metallic titanium in liquid / A. De Bonis, A. Santagata, A. Galasso, A. Laurita, R. Teghil // Journal of Colloid and Interface Science. – 2017. – Vol. 489. – P. 76–84. – doi: 10.1016/j.jcis.2016.08.078.

5. Titanium carbide coating with enhanced tribological properties obtained by EDC using partially sintered titanium electrodes and graphite powder mixed dielectric / Z.J. Xie, Y.J. Mai, W.Q. Lian, S.L. He, X.H. Jie // Surface and Coatings Technology. – 2016. – Vol. 300. – P. 50–57. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2016.04.080.

6. Understanding the diffusion wear mechanisms of WC-10%Co carbide tools during dry machining of titanium alloys / C. Ramirez, A. Idhil Ismail, C. Gendarme, M. Dehmas, E. Aeby-Gautier, G. Poulachon, F. Rossi // Wear. – 2017. – Vol. 390–391. – P. 61–70. – doi: 10.1016/j.wear.2017.07.003.

7. Ильин А.А., Строганов Г.Б., Скворцова С.В. Покрытия различного назначения для металлических материалов: учебное пособие. – М.: Альфа-М: Инфра-М, 2013. – 144 с. – (Современные технологии: Магистратура). – ISBN 978-5-98281-355-8.

8. Григорьев С.Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента: учебник для студентов втузов. – М.: Машиностроение, 2011. – 368 с. – ISBN 978-5-94275-591-1.

9. Bobzin K. High-performance coatings for cutting tools // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2017. – Vol. 18. – P. 1–9. – doi: 10.1016/j.cirpj.2016.11.004.

10. Caliskan H., Panjan P., Curbanoglu C. Hard coatings on cutting tools and surface finish // Reference Module in Materials Science and Materials Engineering. Comprehensive Materials Finishing. – 2017. – Vol. 3. – P. 230–242. – doi: 10.1016/B978-0-12-803581-8.09178-5.

11. Evolution of conventional hard coatings for its use on cutting tools / R. Haubner, M. Lessiak, R. Pitonak, A. Köpf, R. Weissenbacher // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2017. – Vol. 62, part B. – P. 210–218. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2016.05.009.

12. High temperature oxidation and cutting performance of AlCrN, TiVN and multilayered AlCrN/TiVN hard coatings / Y.-Y. Chang, S.-Y. Weng, C.-H. Chen, F.-X. Fu // Surface and Coatings Technology. – 2017. – Vol. 332. – P. 494–503. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2017.06.080.

13. Balogh Z., Schmitz G. Diffusion in metals and alloys // Physical Metallurgy. – 5th ed. – Amsterdam, Netherlands: Elsevier, 2014. – Vol. 1. – P. 387–559. – doi: 10.1016/b978-0-444-53770-6.00005-8.

14. Cardarelli F, Taxil P., Savall A. Tantalum protective thin coating techniques for the Chemical Process Industry: molten salts electrocoating as a new alternative // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 1996. – Vol. 14, iss. 5–6. – P. 365–381.

15. Патент 2451108 Российская Федерация, МПК С 23 C 10/26 (2006.01). Способ обработки инструмента из стали или твердого сплава / А.Г. Соколов, Мансиа Салахалдин. – Опубл. 20.05.2012, Бюл. № 14. – 5 с.

16. Патент 2521187 Российская Федерация, МПК С 23 С 10/18; С 23 С 2/04 (2006.01). Устройство для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов / А.Г. Соколов. – Опубл. 27.06.2014, Бюл. № 18. – 8 с.

17. Chaevsky M. Comparison of methods of formation of protective coating from high-temperature liquid media // Metal Science and Heat Treatment. – 2001. – Vol. 43, N 11–12. – P. 446.

18. Платонов Г.Л., Аникин В.Н., Аникеев А.И. Изучение роста износостойких слоев из карбида титана на твердых сплавах // Порошковая металлургия. – 1980. – № 8 (212). – С. 48–52.

19. Диффузионные карбидные покрытия / В.Ф. Лоскутов, В.Г. Хижняк, Ю.А. Куницкий, М.В. Киндрачук. – Киев: Техника, 1991. – 168 с. – ISBN 5-335-00501-7.

20. Sokolov E.G., Artem’ev V.P. Effect of pores in powder materials on the formation of titanium and chromium diffusion coatings // Metal Science and Heat Treatment. – 2002. – Vol. 44, N 9–10. – P. 459. – doi: 10.1023/A:1021981401891.