Способ выбора оптимального материала наружного слоя износостойкого покрытия режущего инструмента Советский патент 1993 года по МПК G01N3/58 

их твердости и прочности сцепления с подложкой или смежными слоями, не обеспечивает высокой износостойкости и благоприятных условий резания, так как испытания зачастую выявляют случаи, когда при более высоких твердости и прочности топления покрытий с подложкой их стой- костные свойства ниже, чем у других покрытий.

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 из группы материалы с минимальным значением твердости и прочности сцепления с материалом державки и для каждого из них определяют параметр, с учетом которого производят выбор, используют образцы из обрабатываемого материала, нагружают их соответствующими сферическими инденторами одинакового радиуса из материала державки как без покрьпия, так и с покрытмзм из отобранных материалов путем поворота индентбра на один и тот хсо цикл под одной и той же нормальной нагрузкой, измеряют в каждом случае сопротивление сдвигу, прирост силы трения и номинальную площадь трения, а в качестве параметра определяют минимальный из коэффициентов адгезионной активности, которые находят из уравнения

Кадг I

FI -та S т

Fa ri Si

где Fj , TJ , Sj -соответственно прирост силы трения, сопротивление сдвигу и номинальная площадь трения при нагружении индентором с покрытием;

F&, T&. S7 - 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 трибомет- ра 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 б закреплен индентор 1 со сферическими .поверхностями. Нижняя ось через нижнюю шаровую опору 8 связана с гайкой 9, а верхний конец

верхней оси - с призмой 10, которая контак тирует с рычагом 11.

На втором конце рычага 11 подвешен груз 12, Поворотный диск кинематически

связан с ходовой пайкой 13, установленной на ходовом винте 14, соединенным с электродвигателем 15. На ходовой гайке установлены тензодатчики 16, связанные через усилитель с двухкоординатным сзмопишущим потенциометром 18.

Образец - индентор 7 со сферическими поверхностями из инструментальной стали, на который наносится тонкая плен-ка (из исследуемого состава покрытия), закрепляется в поворотном диске б 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 держателях 4, изолированных от корпуса трибометра. При осуа1ествлении способа поворачивают закрепленный в диске 6 ин-- дентор 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 - AS:

ASAF:

ЭКС

S тсд

где А РЗКС прирост силы трения при постоянной для всех случаев величине угла поворота Ду} индентора (определяется экспериментально);

гсд - сопротивление обрабатываемого материала сдвигу, зависит от нагрузки N (упрочнение) и температуры Т (разупрочнение) в контакте.

Тсд -экс

пр

где РЭкспр предельная сила трения ( определяется эксперементально);

S - поверхность трения (общая поверхность сферических отпечатков на образцах) фрикционного контакта, рассчитывается по формуле

S - Si + 82.

где Si, 82 - поверхность трения индентора с верхним и нижним образцами.

Si

К PI ( Pi - мЯ - of

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-Рэкс при вращении индентора без покрытия, а второй раз с покрытием. Измеряя прирост силы трения РЭкс на одинаковом угле поворота индентора Д, а также диаметры DI и D2 шаровых поверхностей и величины лунок di и d2, рассчитывают коэффициент относительной адгезионной активности Кадг по формуле

Кадг

ASi

AS

подл

Д Pi Тподл Зподл А Рподл- Tj Si

где A S i - адгезионная активность индентора с износостойкой пленкой к обрабатываемому материалу; .

АЗподл - адгезионная активность подложки (быстрорежущая сталь) к обрабатываемому материалу;

A FI , А Рподл - 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°C и шероховатости фрикционного контакта Ra. Изменяя нормальную нагрузку N или температуру в контакте, можно проследить влияние упрочнения или разупрочнения

обрабатываемого материала на адгези- онную активность контактируемых материалов.

Выбрали оптимальный материал для наружного слоя многослойного износостойкого 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, GrIM, 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

приведены в таблице.. . По таблице выбрали в качестве оптимального материала для наружного слоя износостойкого покрытия на быстрорежущей стали Р6М5: для резания стали 45 нитрид ниобия NbN, для резания стали 12X18Н ЮТ - 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,

Формула изобретения Способ выбора оптимального материала наружного слоя износостойкого покрытия режущего инструмента, заключающийся о том, что выбирают из группы ма- териалы с максимальными значениями твердости и прочности сцепления с материалом державки и для каждого из них определяют параметр, с учетом которого производят выбор, от л ича ющи йся тем, что, с целью повышения эффективности за счет выбора более износостойкого покрытия применительно к обрабатываемому материалу, используют образцы из обрабатываемого материала, нагружают их соотэетствующими сферическими инденто- рами 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 площадь трения, а в качестве параметра определяют минимальный из коэффициентов адгезион- ной активности, которые находят из ypasns ния

v - F| sfl Кадп Fa-ti.-S,

где FI , TI , Si -соответственно прирост силы трения, сопротивление сдвигу и номинальная площадь трения при нагружении индентором с покрытием;

Fz, гъ. S & - соответственно прирост силы трения, сопротивление сдвигу и номинальная площадь трения при нагружении индентором без покрытия.

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 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 адгезйон- ной 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 нагру- жении 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