1.3.2 Основные требования к упрочняющим слоям

1.3.3 Износостойкие покрытия упрочнения режущих инструментов

1.3.4 Оборудование и технологии для нанесения плазменных, вакуумных покрытий

1.4 Вывод по аналитическому обзору

2. Выбор направления исследования

3. Объекты и методы исследования

3.1 Номенклатура и характеристики режущих инструментов используемые в кожевенно-меховых производствах

3.2 Оборудование для нанесения покрытий

3.3 Методика нанесения покрытий на инструменты

3.4 Характеристика применяемых материалов

3.5 Методики определения характеристик инструмента с покрытием

3.6 Технология нанесения покрытий

4. Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение

4.1 Исследование влияния параметров нанесения покрытия на характеристики режущих инструментов

4.2 Характеристики нитридтитанового покрытия

4.3 Технико-экономическое обоснование

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

В процессе работы режущего инструмента, основная нагрузка приходится на его рабочую поверхность, что, в конечном счете, приводит к частичному или полному износу последней. Актуальным является повышение стойкости или ресурса работы режущего инструмента и быстроизнашиваемых деталей технологического оборудования. При этом экономятся средства на изготовление новых деталей.

В кожевенно-меховом производстве рабочими органами большой группы машин кожевенного и мехового производства являются режущие инструменты, причем в себестоимости изделия доля затрат на инструменты может составлять 3--10%. Следовательно, один из путей снижения себестоимости продукции -- повышение работоспособности режущего инструмента. Проблему повышения стойкости режущих инструментов можно решить, используя поверхностное упрочнение.

Существует ряд технологических способов обработки рабочей поверхности, направленных на ее упрочнение, наиболее прогрессивным и эффективным из которых является метод нанесения на поверхность инструмента покрытий из твердых соединений. Такие покрытия позволяют повысить стойкость режущего инструмента в 2 и более раза.

Целью данной работы является проведение исследований по повышению стойкости режущих инструментов кожевенно-меховых производств, и разработка технологии реализации.

В задачи работы входило:

o выбор и обоснование направления исследования;

o анализ и выбор номенклатуры режущих инструментов;

o выбор оборудования и материала для упрочнения;

o проведение экспериментальных исследований по определению режимов упрочнения и характеристик упрочняющих слоев;

o разработка технологии упрочнения режущих инструментов;

o проведение производственных испытании упрочненного инструмента;

o оценка экономических эффектов.

Основные положения и результаты, полученные в магистерской диссертационной работе докладывались и обсуждались на: научной сессии Казанского государственного технологического университета, 2010г.; VI международной научно-практической конференции "Новые технологии и материалы легкой промышленности", - Казань, 2010г.; XI Международной научно-практической конференции "Нанотехнологии в промышленности", - Казань, 2010г.; пятой Российской студенческой научно-технической конференции "Вакуумная техника и технология", - Казань, 2011 г.; VII международной научно-практической конференции " Новые технологии и материалы легкой промышленности", - Казань, 2011г.;

Основные результаты магистерской диссертационной работы опубликованы в 5 печатных работах.

1. Аналитический обзор

1.1 Режущие инструменты используемые в кожевенно-меховых производствах.

Кожевенное и меховое производство относится к одному из древнейших производств, освоенных человеком. Многие тысячелетия выделка кож и меха производилась вручную с применением простейших инструментов и приспособлении. Специальное технологическое оборудование стало применяться только во второй половине XIX в. С начала XX в. за рубежом появились первые кожевенные заводы, оснащенные машинами для механической обработки полуфабриката и аппаратами с механическим приводом. Один из проблем и кожевенного и мехового производства является быстрое изнашивание деталей машин. Это обычно приводит к замене деталей, а иногда даже машин. Как правило, все эти затраты сказываются на себестоимости выпускаемой продукции.

Рабочими органами большой группы машин кожевенного и мехового производства являются также вращающиеся валы с винтовыми ножами. К таким машинам относятся мездрильные, строгальные, волососгонно-чистильные, разводные, отжимные, тянульные, разбивочные и др. Например, в кожевенно-меховом производстве "Мелита" с такими ножами используется мездрильные машины ММ-1625 и "Оздерсан"-1200, строгальная машина "Кострой-1800", а кожевенное предприятие "Сафьян" использует итальянские машины фирмы "Rizzi": мездрильная машина SG-3 с шириной рабочего прохода 2200 мм и строгальная машина "RLA-1300". Машины с ножевым валом используется и на предприятии ООО "Меховщик", это мездрильная машина ММ-1625 и строгальная машина МСГ 600-3-КРЭ.

Ножевой вал представляет собой стальной сплошной цилиндр, установленный на подшипниках качения или скольжения. На поверхности цилиндра профрезерованы винтовые канавки прямоугольного сечения, в левой половине -- правого направления, а в правой половине -- левого. В винтовых канавках зачеканены мягким металлом (как правило, красной медью с лицевой стороны) спиральные ножи из металлической ленты (рис. 1.1). На стыках посередине вала ножи скругляют. Собранные валы тщательно балансируют.

В зависимости от назначения ножевые валы различаются числом ножей, их материалом, толщиной, формой рабочей кромки, углом подъема винтовой линии. На валу находятся обычно 8--16 левых и столько же правых ножей.

Ножи мездрильных и строгальных машин, предназначенных для резания материала, изготавливают из стальной холоднокатаной ленты: толщиной 2,5--4 мм для мездрильных машин и толщиной 1,5--2 мм для строгальных машин. Режущая кромка ножа должна быть достаточно твердой и износостойкой, в то время как сам нож должен быть достаточно вязким, нехрупким. Поэтому нож цементируется (науглероживается) с передней режущей стороны или с обеих сторон на глубину 0,15--0,25 мм и закаливается до твердости НР = 60--80. Иногда ножи изготавливают из двухслойной стали: передний режущий слой -- из твердой износостойкой стали, а задний слой -- из более мягкой и пластичной.

Угол подъема винтовой линии ножа является одним из его важнейших параметров и выбирается в зависимости от назначения машины. Для обработки полуфабриката резанием он берется меньше: 22--23° для строгания, 30--36° для мездрения, а для обработки фрикционным контактом берется большим -- от 42 до 75°. В зависимости от вида обработки полуфабриката винтовые ножи изготавливаются по-разному (рис 1.2).

Рисунок 1.2 - Геометрия ножей и их взаимодействие с полуфабрикатом при обработке на машинах: а -- мездрильной; б -- строгальной; в -- строгальной с наклонными ножами; г -- волососгонно-чистильной; д -- разводной

Строгание полуфабриката производится для получения кожи заданной толщины по всей площади и ровной, чистой бахтармяной поверхности. Обычно строгание осуществляется после дубления при влажности кожи 55--60%. При большей влажности кожа прилипает к прижимному валу, а стружка забивает ножи. При: небольшой влажности кожа сильно нагревается от трения ножей и может даже прижигаться. Кроме того, кожа с малой влажностью имеет повышенную жесткость, плохо расправляется на прижимном валу, вследствие чего возможны ее порубы.

При строгании, как и при всякой обработке винтовыми ножами, происходит растяжение полуфабриката, приводящее к увеличению площади и изменению физико-механических свойств, что проявляется и в коже. В этом состоит существенное отличие строгания кожи от выравнивания ее толщины ленточным ножом. После появления современных двоильно-ленточных машин, позволяющих получать кожу заданной толщины с точностью до 0,1 мм, делались попытки полностью исключить операцию строгания. Однако это привело к уменьшению выхода кож хромового дубления по площади и снижению ее прочности и тягучести. Поэтому для получения кожи высокого качества для верха обуви и увеличения ее выхода па площади строгание имеет большое значение.

К качеству резания при строгании предъявляют более высокие требования, чем при мездрении. Плохая балансировка ножевого вала, люфты в его подшипниках, вибрация и недостаточная жесткость станины, слабое крепление ножей в канавках ножевого вала и недостаточная их заточка приводят к таким дефектам, как "лестница" и "дробь" (волнистость поверхности полуфабриката), а также мелкие и сквозные порубы.

Ножи строгальных машин делают тоньше (1,5--2 мм) и затачивают их значительно чаще, чем ножи мездрильных машин, а для уменьшения рабочего угла резания угол подъема винтовой линии уменьшают до 23°. Для уменьшения угла заточки ножи в канавках ножевого вала иногда устанавливают с наклоном вперед до 35°. При этом угол заточки уменьшается с 90 до 55°, что значительно снижает окружное усилие резания и расход энергии, улучшает качество резания.

Один из быстроизнашиваемых ножей это - дисковый нож мездрильной машины ДМ-3, которую использует ОАО "Мелита" и ООО "Меховщик"

Рисунок 1.3 - Схема машины дисковой мездрильной ДМЗ-30

Машина дисковая мездрильная ДМЗ-30 (рис. 1.3) предназначена для подмездривания, мездрения и строгания шкурок норки, кролика и морского зверя. Машина состоит из литой чугунной станины l, выполненной в виде стойки, ножевой головки 2, смонтированной на станине с возможностью поворота относительно вертикальной оси, и элект-родвигателя 8, установленного на салазках в нижней части станины. В головке в центрах 3 закреплен дисковый нож 4. Диаметр ножа 300--310 мм, толщина 2--2,5 мм. Нож приводится во вращение электродвигателем через клиноременную передачу 5. Слева и справа от плоскости ножа установлены ограничители -- губки 11. Положение губок относительно режущей кромки ножа регулируется с помощью винтов 12. Взаимное положение ножа и губок показано на рис. 1.4 а, геометрические параметры ножа -- на рис. 1.4, б.

Рисунок 1.4 - Взаимное положение ножа и губок в машине дисковой мездрильной ДМЗ-30

Губки обеспечивают правильное взаимодействие ножа с обрабатываемой шкурой, снижают возможность повреждения последней при ее перемещении по лезвию ножа. Левая губка имеет наклонные пазы для выравнивания обрабатываемой шкурки, правая поддерживает шкурку и защищает руки рабочего от порезов.

Для двоения кожи используется ленточные ножи. Машины с такими ножами использует "Сафьян", это -- итальянская двоильно-ленточная машина SR с шириной рабочего прохода 1800 фирмы Rizzi.

Распиливание полуфабриката ножом, выполняемое на двоильно-ленточных машинах, является одним из важнейших технологических процессов кожевенного производства.

Основная цель этой операции -- уменьшение и выравнивание толщины материала или получение одного или нескольких слоев материала заданной толщины. Дополнительная цель -- получение спиленного слоя кожи (спилка), который может быть использован при выработке определенных видов изделий.

Кожевенный полуфабрикат в зависимости от технологии и назначения готовой кожи двоят на различных стадиях производства: в голье, после дубления или сухой полуфабрикат. Наиболее равномерная толщина кожи достигается при двоении сухого полуфабриката, а наименьшая -- при двоении голья. Каждый из видов двоения имеет преимущества и недостатки.

Перед двоением голье подвергают золению, в результате чего оно набухает, т. е. получает так называемый нажор. Причем разные участки шкуры набухают в различной степени: плотные -- меньше, рыхлые -- больше. Поэтому после двоения голья получается полуфабрикат неравномерной толщины, так как толщина рыхлых участков после дальнейшей обработки (в том числе после снятия нажора) уменьшается в сравнении с толщиной других участков. Но при этом последующие операции жидкостной обработки полуфабриката ускоряются.

Для двоения полуфабриката применяются машины с непрерывно движущимся ленточным ножом. Машины широко используются на кожевенных заводах и меховых фабриках, так как при меньшем усилии резания обеспечивается хорошее качество поверхности полуфабриката по сравнению с другими способами резания.

Основным рабочим органом двоильно-ленточных машин является нож в виде бесконечной ленты. Режущая часть ножа обычно имеет форму несимметричного двустороннего клина, получающегося заточкой передней кромки ленты точильными шлифовальными кругами. В режущей части ножа различают следующие элементы: две наклонные плоскости (грани) и вершина (острие).

Значение отдельных элементов ножа в процессе резания видно из следующего: острие изменяется в наибольшей степени в связи с износом -- затуплением и изгибанием, вследствие чего изменяется как мощность резания, так и характер обработки. Грани при этом остаются почти нетронутыми. Однако длина граней влияет как на быстроту износа острия, так и на механизм процесса резания, а следовательно, и характер и качество обработки. В зависимости от характера обработки ножи затачиваются по-разному (рис1.5).

Каждый элемент ножа выполняет определенные функции. Режущая часть ножа должна обеспечить ориентировочное разрушение материала путем его деформации. Деформация в начальном периоде резания характеризуется местным сжатием материала острием под действием контактных напряжений. По мере нарастания давления напряжение сжатия возрастает и в итоге достигает величины, превосходящей напряжение разрушения,-- материал разрушается. При этом основная деформация сжатия концентрируется на небольшом участке материала. Чем меньше этот участок, тем выше концентрация распределенных усилий сжатия и тем лучше качество резания.

Рисунок 1.5 - Виды заточек лезвия ленточного ножа для разрезания различных материалов

Ленточный нож представляет собой тонкую (не более 1,5 мм), но широкую (80--96 мм) замкнутую стальную ленту, надетую на шкивы. Ленточные ножи изготовляются из холоднокатаной стальной ленты, соответствующей по химическому составу инструментальной углеродистой стали У8А ГОСТ 1435--74. Лента проходит термообработку: закалку с последующим высоким отпуском.

ОАО "Мелита" и ООО "Меховщик" для облегчения дальнейшей обработки волосяной покров овчин укорачивают до 18--20 мм на рубильных машинах МР-1200-1М. Рубильные машины проще по конструкции, чем шерстерезные, однако срезаемый ими волос рубится на несколько частей и ценность его снижается. Поэтому рубильные машины применяют для предварительной стрижки менее ценной шубной овчины.

Рисунок 1.6 - Рубильная машина КСМР1-120

Режущий узел машины состоит из ножевого вала и неподвижного ножа (рис1.6). На ножевом валу 3 закреплен режущий нож 1 и заправляющий нож 4 со скругленной кромкой и несколько меньшего радиуса. Оба ножа -- спиральные, с углом подъема винтовой линии около 84°. Неподвижный нож 5 закреплен на массивной траверсе. Положение ножа по вертикали относительно траверсы регулируется. Траверса может смещаться по горизонтали. Таким образом, неподвижный нож может быть точно (с небольшим зазором) установлен относительно подвижного ножа.

Неподвижный нож также используется на стригальных машинах "Оздерсан-1250", "Свит-1800" в ОАО "Мелита" и КСМ2-1200 ООО "Меховщик". Стригальные машины применяют в отделочных цехах меховых фабрик для окончательного выравнивания высоты волосяного покрова. Иногда их используют и для предварительной стрижки волосяного покрова шкурок кролика и овчин.

Рабочими органами стригальных машин являются вращающийся вал со спиральными ножами, неподвижный нож и конвейер. Различаются стригальные машины типом удерживающего шкурку приспособления, которое может представлять собой вакуумную коробку, струнное или игольчатое устройство.

Рисунок 1.7 - Ножевой вал стригальной машины

Ножевой вал стригальной машины (рис. 1.7)--это сплошной стальной цилиндр с дисками на концах. Ножи имеют фасонный профиль в виде уголка и изготавливаются из двухслойной стали сечением 35x2 мм. Основной слой -- это малоуглеродистая мягкая сталь, хорошо сопротивляющаяся ударным нагрузкам, рабочий слой -- легированная инструментальная сталь, которая после закалки становится достаточно твердой и износостойкой. На режущей грани ножа нанесена насечка глубиной 0,3 и с шагом 1,25 мм, препятствующая соскальзыванию волоса с лезвия ножа.

Полка ножа плотно прилегает к валу и крепится к нему сваркой или винтами 4, для чего на полке имеются отверстия. К концам ножа крепятся хвостовики 5 с резьбой, которые входят в отверстия концевых дисков 2 вала. С помощью гаек 1, навертываемых на хвостовики, нож натягивается в продольном направлении, что уменьшает его вибрацию.

Ножу придается спиральная форма с углом подъема винтовой линии 70--75°. Благодаря этому подвижные и неподвижные ножи постоянно имеют до 20 точек контакта, удары ножей исключаются и резание происходит плавно. Кроме того, точки контакта ножей непрерывно скользят вдоль режущей кромки, резание происходит по принципу ножниц.

В последнее время стали применяться ножевые валы более простой конструкции, аналогичные валам мездрильных и стригальных машин: спиральные ножи 1 из плоской ленты зачеканиваются в канавки, профрезерованные на валу 2 (рис. 1.8, а). Неподвижный нож 6 из закаленной инструментальной стали закрепляется на траверсе и может быть точно устанозлен относительно ножевого вала перемещением траверсы по горизонтали и самого ножа относительно траверсы по вертикали. Рассмотрим процесс резания волоса на стригальной машине. Шкурка 5 плотно облегает переднюю цилиндрическую часть подающего конвейера 4. Подвижный нож 3 подходит к волосу, изгибает и прижимает его к неподвижному ножу. В момент контакта ножей часть волоса срезается.

Рисунок 1.8 - Схема рабочих органов стригальной машины

1.2 Трение и износ режущих инструментов при обработке шкурок

Режущий инструмент в процессе резания воздействует на обрабатываемый материал и вызывает образование стружки и формирование новой поверхности, однако сам при этом подвергается воздействию со стороны обрабатываемого материала и интенсивно изнашивается. Режущие инструменты работают в чрезвычайно тяжелых условиях действия громадных давлений на поверхностях контакта и высокой температуры, в условиях трения чистых, вновь образованных поверхностей. По этим причинам интенсивность изнашивания режущих инструментов в тысячи и десятки тысяч раз превосходит интенсивность изнашивания трущихся деталей машин.

В результате изнашивания режущее лезвие инструмента теряет свою первоначальную форму и, как следствие, режущую способность. Для восстановления режущей способности инструмента производится затачивание его рабочих поверхностей. В процессе затачивания инструмента с его рабочей части срезаются довольно большие слои дорогостоящего инструментального материала. Кроме того, на смену затупившегося инструмента затрачивается время, которое увеличивает продолжительность операции механической обработки, а следовательно и ее стоимость; срезаемый при затачивании абразивным инструментом дорогостоящий инструментальный материал переводится в шлам и безвозвратно теряется. В целом все это существенно удорожает механическую обработку и ограничивает ее эффективность.

Характер износа режущего инструмента, то есть распределение его по рабочим поверхностям инструмента, зависит от многих конкретных условий, в которых производится резание. Рабочие поверхности режущего инструмента изнашиваются как от механического воздействия на него обрабатываемого материала, так и в результате молекулярно-термических процессов происходящих в зоне резания на поверхностях контакта инструмента с обрабатываемым материалом. Инструмент может подвергаться различным по своей природе, видам изнашивания: абразивному, адгезионному, химическому, диффузионному, электроэрозионному и другим. В процессе резания все эти виды изнашивания могут иметь место, но в зависимости от конкретных условий один из них является доминирующим, определяющим интенсивность изнашивания и стойкость режущего инструмента.

Первостепенной причиной изнашивания деталей (особенно сопрягаемых и трущихся при движении друг о друга) является трение -- процесс сопротивления относительному перемещению, возникающего между двумя телами в зонах соприкосновения их поверхностей по касательным к ним, сопровождаемый диссипацией энергии, т. е. превращением ее в теплоту.

При мездрении на нож действуют следующие силы (Рис.1.9):

N₁ - усилие прижатия одного ножа к шкурке;

µР₁ - сила трения торцевой грани ножа о материал;

µN₁ - Сила трения передней грани ножа об отделяемому мездру.

Силы трения направлены навстречу вектору скорости относительного скольжения соответствующих поверхностей.

Рисунок 1.9 - Кинематика и динамика резания винтовым ножом

Наиболее разрушительное действие на нож оказывает абразивное изнашивание, которое наблюдается в тех случаях, когда трущиеся поверхности загрязняются мелкими абразивными и металлическими частицами. Абразивное изнашивание происходит по причине царапания поверхностей инструмента твердыми включениями обрабатываемого материала. Твердые включения при этом как микрорезцы скоблят поверхность инструмента.

При обработке продубленных шкур ножи быстрее изнашиваются, чем при обработке не продубленных. Это связано с тем, что продубленные шкуры или стружки этих шкур имеют металлические включения, которые действуют как абразивный материал.

Рисунок 1.10 - Кинематика резания ленточным ножом

При двоении ленточным ножом происходит пилящее резание (рисунок 1.10). Нож изнашивается при трении стружки и обрабатываемого полуфабриката о поверхности режущего инструмента. В связи с быстрым изнашиванием ленточный нож двоильно-ленточной машины непрерывно затачивают, снимая фаску. Нож стачивается до ширины 30мм за 100 ч или около 16 смен. Потом нож заменяют.

1.3 Технологии повышения стойкости режущих инструментов и материалы для упрочнения

1.3.1 Основные технологические способы обработки поверхности режущих инструментов

Существует несколько способов обработки рабочей поверхности инструмента, направленных на повышение ее прочности:

1) химико-термическая обработка металлов.

Химико-термической обработкой называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя металла. При поверхностной закалке (газопламенная закалка) и химико-термической обработке (цементование) упрочнение обусловлено главным образом возникновением в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений вследствие образования структур большего удельного объема (нитриды и карбонитриды при нитроцементации и азотировании), чем структуры основного металла.

Азотирование -- это технологический процесс химико-термической обработки, при которой поверхность различных металлов или сплавов насыщают азотом в специальной азотирующей среде. Поверхностный слой изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе растворённые нитриды и приобретает повышенную коррозионную стойкость и микротвёрдость. По микротвёрдости азотирование уступает только борированию, в то же время превосходя цементацию и нитроцементацию (незначительно).

Цианирование в сталелитейном производстве -- процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температурах 820-950° C в расплаве цианида натрия или других солей с тем же анионом. Цианирование применяют для повышения износостойкости и коррозионостойкости деталей. Процесс цианирования по сравнению с процессом цементации требует гораздо меньше времени для получения слоя заданной толщины, характеризуется значительно меньшими деформациями и короблением деталей сложной формы.

Борирование -- химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагреве в соответствующей среде (упрочнение поверхностей). Тысячные доли бора увеличивают износостойкость стали в 2 раза. Борирование чаще всего проводят при электролизе расплавленной буры (Na₂B₄O₇). Изделие служит катодом. Температура насыщения 930--950 °C, выдержка 2 -- 6 часов. Борирование можно производить при отливке деталей. В этом случае на поверхность литейной формы наносится слой специальной боросодержащей массы (краски). При использовании выжигаемых моделей из пенопластов боросодержащая краска наносится на поверхность модели. Способ отличается производительностью и простотой. Борирование применяют для повышения износостойкости втулок грязевых нефтяных насосов, дисков пяты турбобура, вытяжных, гибочных и формовочных штампов, деталей пресс-форм и машин литья под давлением. Стойкость деталей после борирования увеличивается в 2 -- 10 раз. Изделия, подвергшиеся борированию, обладают повышенной до 800 °C окалиностойкостью и теплостойкостью до 900-950 °C. Твердость борированного слоя в сталях перлитного класса составляет 15 000-20 000 МПа.

Цементация стали -- поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости. Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0.2 % C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900--950 °С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) -- при 850--900 °С. После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений.[3]

Закалка -- вид термической обработки изделий из металлов и сплавов, заключающийся в их нагреве выше критической температуры (температуры изменения типа кристаллической решетки, т. е. полиморфного превращения), с последующим быстрым охлаждением, как правило, в жидкости (воде или масле). Различают закалку с полиморфным превращением, для сталей, и закалку без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов. Материал, подвергшийся закалке приобретает бомльшую твердость, но становится хрупким, менее пластичным и вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости, после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твердости и прочности материала.

В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча.[4]

2) Упрочнение поверхности пластической деформацией. Поверхностное пластическое деформирование (ППД) - наклеп поверхностного слоя на глубину 0.2-0.8 мм с целью создания в нем остаточного напряжения сжатия. При наклепе поверхностный слой расплющивается. Удлинению поверхностного слоя препятствует сила сцепления с нижележащими слоями металла. Вследствие этого в наклепанном слое возникают двухосные напряжения сжатия, а в толще основного металла незначительные реактивные напряжения растяжения. Складываясь с рабочими напряжениями растяжения, остаточные напряжения сжатия уменьшают, а при достаточно больших значениях компенсируют первые. Возникающие при наклепе множественные искажения структуры (деформация зерна, местные пластические сдвиги) эффективно тормозят развитие усталостных повреждений и расширяют область существования нераспостроняющихся трещин, увеличение которых обуславливает существование разрушающих напряжений.

Дробеструйная обработка заключается в наклепе поверхностного слоя потоком закаленных шариков (диаметр 0.5-1.5 мм), создаваемым центробежными дробеметками. Качество поверхности при данном процессе немного снижается.

Плоские поверхности упрочняют обкатыванием шариками, установленными во вращающемся патроне. Заготовке придают движение продольной и поперечной подачи, при правильно выбранном режиме обкатывания, остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое составляют 600-1000 МПа. Глубина уплотнения слоя 0.2-0.5 мм. Данный процесс улучшает качество поверхности детали. Поверхность вращения упрочняют обкатыванием стальными закаленными роликами. Силу прижатия ролика выбирают с таким ращетом, чтобы создать в поверхностном слое напряжения, превышающие предел текучести материала в условиях всестороннего сжатия (для стали 5000-6000 МПа).

Чеканку производят бойками со сферической рабочей поверхностью, приводимыми в колебания пневматическими устройствами. Частота колебаний и скорость вращения заготовки должны быть согласованы таким образом, чтобы наклепанные участки перекрывали друг друга.

Алмазное выглаживание заключается в обработке предварительно шлифованной и полированной поверхности закругленными алмазными резцами (радиус 2-3 мм). Поверхностный слой уплотняется до глубины 0.3-0.5 мм. Качество поверхности значительно улучшается.[5]

3) Газотермическое напыление.

Основное преимущество газопламенного напыления (ГТН) - его функциональная универсальность. Методы газотермического напыления применяют для восстановления, упрочнения и коррозионной защиты поверхностей деталей, при этом применение названных методов позволяет наносить покрытия на такие материалы, как дерево, ткани, бетон, металлы, пластмассы и пр. Толщина наносимого слоя лежит в диапазоне от десятков микрометров до нескольких миллиметров, а в отдельных случаях до десятков миллиметров. Покрытие может наноситься на заданные участки или без ограничения размеров поверхностей напыления; на наружные и внутренние поверхности деталей и т.д.

Основные преимущества методов ГТН перед другими способами восстановления: - нагрев детали в процессе напыления до температуры не выше 200 градусов Цельсия; - отсутствие коробления деталей после напыления в связи с отсутствием нагрева при обработке; - отсутствие структурных изменений в материале напыляемой детали; - возможность напыления на закаленные поверхностные слои и на чугун; - возможность напыления покрытий на легкоплавкие материалы слоев из более тугоплавких материалов ( в т.ч. на дерево и пластмассы); - возможность напыления материалов в самых различных сочетаниях, что невозможно сделать при наплавке (например, напыление алюминия на медь или наоборот); - возможность напыления оксидов и карбидов; - высокая экономическая эффективность процесса.

Существует несколько методов газотермического напыления:

· электродуговая металлизация

Принципиальная схема электродуговой металлизации показана на рисунке. Через два канала в горелке непрерывно подают две проволоки (диаметром 1,5--3,2 мм), между концами которых возбуждается дуга, за счет тепла которой и происходит расплавление проволоки. Расплавленный металл подхватывается струёй сжатого воздуха, истекающего из центрального сопла электрометаллизатора, распыляется и в виде жидких капель переносится на поверхность напыляемой детали.

Рисунок 1.11 -- Схема дугового напыления. 1 -- сопло; 2 -- место ввода напыляемого материала (проволоки); 3--место подачи сжатого воздуха

· газопламенное напыление

Газопламенное напыление в зависимости от состояния напыляемого материала может быть трех типов: напыление проволокой, прутком или порошком.

Рисунок 1.12 - Схема газопламенного напыления. П - покрытие; С - струя напыляемого материала и продуктов сгорания газов.

· плазменное напыление

Принцип плазменного напыления. Между катодом и медным водоохлаждаемым соплом, служащим анодом, возникает дуга, нагревающая поступающий в сопло горелки рабочий газ, который истекает из сопла в виде плазменной струи. В качестве рабочего газа используют аргон или азот, к которым иногда добавляют водород. Порошковый наплавочный материал подается в сопло струёй транспортирующего инертного газа, нагревается плазмой и с ускорением переносится на поверхность основного материала для образования покрытия. Средняя температура плазмы на выходе из сопла плазмотрона находится в пределах от нескольких тысяч градусов до десятков тысяч градусов Кельвина.

Схема пламенного напыления

Рисунок 1.13- Схема пламенного напыления. П - покрытие; С - струя напыляемого материала и продуктов сгорания газов.

4) холодное газодинамическое напыление;

Холодное газодинамическое напыление металлических покрытий -- это процесс формирования металлических покрытий при соударении холодных (с температурой, существенно меньшей температуры плавления) металлических частиц, ускоренных сверхзвуковым газовым потоком до скорости несколько сот метров в секунду, с поверхностью обрабатываемой детали. При ударах нерасплавленных металлических частиц о подложку происходит их пластическая деформация и кинетическая энергия частиц преобразуется в тепло и, частично, в энергию связи с подложкой, обеспечивая формирование сплошного слоя из плотно упакованных металлических частиц.

Основной особенностью холодного газодинамического напыления является отсутствие высоких температур в процессе формирования металлических покрытий, следовательно, отсутствие окисления материалов частиц и основы, процессов неравновесной кристаллизации, высоких внутренних напряжений в обрабатываемых деталях.

К настоящему времени существуют две основных разновидности:

Холодное газодинамическое напыление высокого давления. В качестве рабочего газа используются азот или гелий при давлениях выше 1,5 МПа (15 атм), расходе более 2 куб.м/мин., и мощностью подогрева более 18 кВт. Для напыления обычно используются чистые металлические порошки размером 5-50 мкм.

Холодное газодинамическое напыление низкого давления. В качестве рабочего газа используется сжатый воздух давлением 0,5-1,0 МПа (5-10 атм), расходом 0,5 куб.м/мин, и мощностью подогрева 3-5 кВт. Для напыления покрытий используются механические смеси металлических и керамических порошков. Включение керамического компонента в напыляемую смесь обеспечивает получение качественных покрытий при сравнительно небольших энергозатратах. Технология позволяет создавать алюминиевые, медные, цинковые, оловянные, свинцовые, никелевые и другие металлические покрытия. В качестве керамической примеси обычно используется оксид алюминия, хотя могут быть использованы и другие материалы, отличающиеся высокой твердостью и температурой плавления. Технология находит широкое применение в различных отраслях промышленности для решения целого ряда задач по нанесению металлических покрытий в машиностроении, авиакосмической технике, электротехнике, нефте- газодобыче, переработке, на газоперекачивающих станциях магистральных газопроводов, в судостроении, судоремонте, атомной энергетике, железнодорожном транспорте, метро, ремонте автомобильной, дорожной и специальной техники, в декоративно-прикладном искусстве.[6-10]

5) нанесение антифрикционных покрытий;

Процесс нанесения антифрикционных покрытий должен обеспечивать выполнение тех же требований, что и для износостойких покрытий, с той лишь разницей, что при его проведении строго не ограничивается толщина покрытия. Антифрикционные материалы (от англ. friction -- трение) -- это группа материалов, обладающих низким коэффициентом трения или материалы способные уменьшить коэффициент трения других материалов.

Твердые антифрикционные материалы обладают повышенной устойчивостью к износу при продолжительном трении. Используется для покрытия трущихся поверхностей (например, в подшипниках скольжения). Например, такими материалами могут служить латунь, железографит, бронза или баббит.

Эти материалы должны иметь минимальный коэффициент трения, структура покрытия должна обеспечивать антисхватывание и возможность быстрой приработки к контртелу, механические характеристики материала должны соответствовать эксплуатационным нагрузкам, должны быть достаточно износостойкими и пластичными. [11]

6) наплавка.

Наплавка -- это нанесение слоя металла или сплава на поверхность изделия посредством сварки плавлением.

Восстановительная наплавка применяется для получения первоначальных размеров изношенных или поврежденных деталей. В этом случае наплавленный металл близок по составу и механическим свойствам основному металлу.

Наплавка функциональных покрытий служит для получения на поверхности изделий слоя с необходимыми свойствами. Основной металл обеспечивает необходимую конструкционную прочность. Слой наплавленного металла придаёт особые заданные свойства: износостойкость, жаростойкость, жаропрочность, коррозионную стойкость и т. д.

Наплавку производят при восстановлении изношенных и при изготовлении новых деталей машин и механизмов. Наиболее широко наплавка применяется при ремонтных работах. Восстановлению подлежат корпусные детали различных двигателей внутреннего сгорания, распределительные и коленчатые валы, клапаны, шкивы, маховики, ступицы колес и т. д.[12]

7) Вакуумное нанесение на рабочую поверхность инструмента покрытий из сверхтвердых соединений. Данный способ является наиболее эффективным и прогрессирующим из выше упомянутых способов, позволяет резко повысить эксплуатационные качества режущего инструмента тем самым, расширяя его область применения.[13]

Вакуумное нанесение - перенос частиц напыляемого вещества от источника (места его перевода в газовую фазу) к поверхности детали осуществляется по прямолинейным траекториям при вакууме 10^-2 Па и ниже (вакуумное испарение) и путем диффузионного и конвективного переноса в плазме при давлениях 1 Па (катодное распыление) и 10^-1-10^-2 Па (магнетронное и ионно-плазменное распыление). Судьба каждой из частиц напыляемого вещества при соударении с поверхностью детали зависит от ее энергии, температуры поверхности и химического сродства материалов пленки и детали. Атомы или молекулы, достигшие поверхности, могут либо отразиться от нее, либо адсорбироваться и через некоторое время покинуть ее (десорбция), либо адсорбироваться и образовывать на поверхности конденсат (конденсация). При высоких энергиях частиц, большой температуре поверхности и малом химическом сродстве частица отражается поверхностью. Температура поверхности детали, выше которой все частицы отражаются от нее и пленка не образуется, называется критической температурой напыления вакуумного; ее значение зависит от природы материалов пленки и поверхности детали, и от состояния поверхности. При очень малых потоках испаряемых частиц, даже если эти частицы на поверхности адсорбируются, но редко встречаются с другими такими же частицами, они десорбируются и не могут образовывать зародышей, т.е. пленка не растет. Критической плотностью потока испаряемых частиц для данной температуры поверхности называется наименьшая плотность, при которой частицы конденсируются и формируют пленку. Структура напыленных пленок зависит от свойств материала, состояния и температуры поверхности, скорости напыления. Пленки могут быть аморфными (стеклообразными, например оксиды, Si), поликристаллическими (металлы, сплавы, Si) или монокристаллическими (например, полупроводниковые пленки, полученные молекулярно-лучевой эпитаксией). Для упорядочения структуры и уменьшения внутренних механических напряжений пленок, повышения стабильности их свойств и улучшения адгезии к поверхности изделий сразу же после напыления без нарушения вакуума производят отжиг пленок при температурах, несколько превышающих температуру поверхности при напылении. Часто посредством вакуумного напыления создают многослойные пленочные структуры из различных материалов.

1.3.2 Основные требования к износостойким покрытиям

К покрытиям в зависимости от материала и условий эксплуатации режущего инструмента, предъявляются своего рода технологические требования, которые можно подразделить на четыре категории.

Во-первых, это условие, учитывающее условия работы инструмента. Покрытие должно обладать: высокой твердостью, превышающей твердость материала инструмента; устойчивостью к высокотемпературной коррозии; отсутствие схватываемости с обрабатываемым материалом во всем диапазоне температур резания; устойчивостью к разрушению при колебании температур и напряжений; постоянством механических свойств, даже при температурах, близких к температурам разрушения инструментального материала.

Во-вторых, это необходимость совместимости свойств материала покрытия со свойствами материала инструмента: сродство кристаллохимического строения материала покрытия и инструмента; оптимальное соотношение материалов покрытия и инструмента по модулям упругости, коэффициентам Пуассона и линейного расширения, теплопроводности; малая склонность к образованию хрупких вторичных соединений.

В-третьих, это требования к технологическим особенностям метода нанесения покрытий: создание в процессе нанесения покрытия на инструмент условий, не оказывающих существенного влияния на физические и кристаллохимические свойства материала инструмента.

В-четвертых, требования, относящиеся к покрытиям в целом: покрытие должно быть сплошным и иметь постоянную плотность по всему объему, тем самым, защищая материал инструмента от соприкосновения с обрабатываемым материалом и газовой средой; стабильность свойств покрытия во времени; малость колебаний толщины покрытия в процессе работы, позволяющая не изменять рельеф материала инструмента. [14-18]

1.3.3 Износостойкие покрытия для режущих инструментов

Наиболее широко в качестве износостойких покрытий применяются соединения тугоплавких d-переходных металлов IV-VI Периодической системы элементов с кислородом, углеродом и азотом [5]. Это связано с особенностями их кристаллохимического строения:

Во-первых, эти металлы имеют недостаток электронов на внутренних s, p и d орбиталях, и это приводит к тому, что они с достаточной легкостью могут приобретать электроны из любого источника, которым может служить междоузельные атомы углерода, азота и кислорода.

Во-вторых, большинство переходных металлов имеют достаточно большие атомные радиусы и при образовании соединений с атомами C,N и O могут подчинятся правилу Хэгга, согласно которому отношение радиуса атома неметалла к радиусу атома металла меньше критического значения 0.59. Для соединений металлов IV группы (Ti,Zr,Hf) достаточно точно выдерживается правило Хэгга, что приводит к образованию простых структур, в которых превалирует связь металл-металл, а атомы C,H,O можно рассматривать как вставленные в решетку атомов металла.

В-третьих, большинство переходных металлов имеют широкие области гомогенности, что позволяет в зависимости от содержания кислорода, азота и углерода достаточно сильно изменять физико-механические свойства их карбидов, нитридов и оксидов.

В-четвертых, переходные металлы и некоторые их соединения, в первую очередь соединения с простой кубической структурой типа NaCl (ZrC,ZrN,TiN,VC,TaC), отличаются очень высокими температурами плавления.

Соединения металлов IV-VI групп с кислородом, углеродом и азотом можно рассматривать и как наиболее устойчивый (в термодинамическом отношении) материал для покрытий, способный противостоять твердо- и жидкофазным диффузионным реакциям, коррозии и окислению при высоких температурах. Ниже будет показано, что свойства соединений тугоплавких металлов с О,N и С при обычных и повышенных температурах сильно зависят от многих факторов: состава (стехиометрии), наличия примесей, микроструктуры и текстуры, пористости и т.д.

Карбиды обладают рядом противоречивых свойств, что осложняет детальное изучение их физической природы. В частности, строение монокарбидов с кубической решеткой соответствует структуре типа NaCl , вместе с тем электропроводность карбидов сравнима с электропроводностью металлов. Высокая твердость карбидов проявляется за счет ковалентной связи атома углерода с атомом метала.

Наибольшая склонность к образованию энергетически стабильных конфигураций sp³ проявляются у карбидов металлов IV группы (Ti, Zr, Hf ). Это обусловлено большей донорской способностью этих металлов (особенно Ti) при относительно высоком содержании углерода в карбиде (до 20%). Стабильные конфигурации карбидов атомов металлов IV группы объясняется уменьшением общего числа нелокализованных электронов sp-переходов, смещения равновесия вправо и уменьшения общего числа нелокализованных электронов: sp² + p sp³. Поэтому карбиды обладают повышенной жесткостью кристаллической решетки, определяющей их высокую твердость, теплостойкость и хрупкость. При переходе к карбидам V группы донорская способность металлов этой группы снижается, что приводит к снижению статистического веса устойчивости sp³-конфигурации карбидов и соответственно уменьшает соответственно твердость этих карбидов. Область их гомогенности сужается, в составе наряду с карбидами МС образуются низшие карбиды М₂С с гексагональной структурой. Так например, твердость TiC равна 31.7 ГПа, а твердость TaC - 17.4 ГПа, Nb₂C - 21 Гпа. У карбидов тугоплавких металлов VI группы (Cr, Mo,W) содержание углерода падает до 6%, снижается число обобществленных электронов, поэтому статический вес атомов наиболее стабильной электронной конфигурации sp³ оказывается очень низким, а свойства карбидов определяются главным образом свойствами d⁵-конфигурации. Связи d⁵ более гибкие, чем sp³, допускают упругий прогиб решетки, более свободное движение в ней дислокаций. Поэтому карбиды металлов VI группы имеют меньшую твердость и хрупкость (CrC, MoC, WC), чем твердость и хрупкость карбидов IV группы (TiC, ZrC, HfC). Так твердость CrC равна 29.5 ГПа, а твердость ZrC - 29.5 ГПа. Карбиды тугоплавких металлов V группы занимают промежуточное положение. У карбидов VI группы имеются узкие области гомогенности. Образование карбидов таких металлов связано с сильными искажениями кристаллической решетки металла (Cr) либо с нарушением порядка упаковки (Mo, W). В следствии этого, у карбидов VI могут возникать и прямые связи C-C (MoC, CrC) [5].

По своим свойствам и строению нитриды весьма похожи на карбиды, однако, между ними существуют определенные различия. Главное различие состоит в сильном снижении связи металл - неметалл из-за уменьшения ковалентности азота (трехвалентный) по сравнению с валентностью углерода (четырехвалентный).

Атом азота в нитридах, имеющий в изолированном состоянии конфигурацию валентных электронов s²p⁶ , может быть как донором, так и акцептором электронов. Акцепторная способность азота преимущественно проявляется при образовании нитридов металла IV-VI групп, у которых преобладает ковалентно-металлическая ионная связь. Донорские способности тугоплавких металлов IV группы (особенно Ti) в результате присоединения трех атомов азота приводят к образованию энергетически очень устойчивых конфигураций s²p⁶: s²p³ + 3p s²p⁶ [5].

Вследствие резкого снижения донорской и роста акцепторной способности металлов VI группы (Cr, Mo, W) для этой группы может проявляться и донорская способность азота (s²p³ sp⁴ sp³ + p ) с образованием избыточных (не участвующих в химической связи) электронов, которые снижают температуру плавления этих нитридов.

Хотя особенность конфигурационного строения нитридов переходных металлов (s²p⁶) свидетельствует о их высокой коррозионной стойкости (снижение склонности к твердо- и жидкофазным диффузионным реакциям), необходимо отметить меньшую термодинамическую устойчивость нитридов, по сравнению с карбидами. Практически это означает, что нитриды имеют более низкую по сравнению с карбидами сопротивляемость к высокотемпературному окислению, коррозии. Причем, при переходе нитридов металлов IV группы (TiN, ZrN, HfN) к нитридам металлов V (VN, NbN, TaN) и особенно VI группы (CrN, MoN, WN) сопротивляемость к высокотемпературному окислению снижается. Вместе с тем нитриды имеют и свои преимущества. Они более пластичны и менее хрупки, чем карбиды. Так например, предел прочности при изгибе TiN равен 240 МПа, а TiC - 15 МПа [5].

Оксиды обладают твердостью, сравнимой с твердостью нитридов. Так например, твердость TiN равна 20.5 ГПа, а твердость Al₂O₃ - 19.9 ГПа. Между тем, по коррозийным свойствам оксиды превосходят нитриды. Хрупкость оксидов сравнима с хрупкостью карбидов. [18]

1.3.4 Оборудование и технология для нанесения плазменных, вакуумных покрытий

Вакуумно-плазменные методы нанесения покрытия в промышленности называют PVD-метод - нанесение конденсацией из паровой (газовой) фазы (англ. physical vapour deposition; сокращённо PVD) обозначает группу методов напыления покрытий (тонких плёнок) в вакууме, при которых покрытие получается путём прямой конденсации пара наносимого материала.

При физическом осаждении (PVD) материал покрытия переходит из твердого состояния в газовую фазу в результате испарения под воздействием тепловой энергии или в результате распыления за счет кинетической энергии столкновения частиц материала. Энергия, распределение и плотность потока частиц определяются методом нанесения, параметрами процесса и формой источника частиц. Нанесение покрытий методом PVD проводится при температуре до 450°С, что практически не накладывает ограничения по используемым материалам, на которые наносится покрытие. Это особенно важно при нанесении покрытия на быстрорежущую сталь, так как температура процесса не превышает температуру отпуска закаленной стали (около 550°С). PVD-процессы проводят в вакууме или в атмосфере рабочего газа при достаточно низком давлении (около 10^-2 мбар). Это необходимо для облегчения переноса частиц от источника (мишени) к изделию (подложке) при минимальном количестве столкновений с атомами или молекулами газа. Это же условие определяет обязательность прямого потока частиц. В результате покрытие наносится только на ту часть изделия, которая ориентирована к источнику частиц. Скорость осаждения зависит в этом случае от относительного расположения источника и материала. Для равномерного нанесения покрытия необходимо систематизированное движение материала или применение нескольких, определенным образом расположенных, источников. В то же время, поскольку покрытие наносится только на поверхности "в прямой видимости источника", метод позволяет селективно наносить покрытие только на определенные части поверхности, оставляя другие без нанесенного слоя. Это абсолютно невозможно при использовании метода химического осаждения. Основными факторами, определяющими качество покрытия, нанесенного методом физического осаждения, являются чистота исходных материалов и реакционного газа, а также необходимый уровень вакуума.