6_Skoblo.doc Особенности износа дискового режущего инструмента, упрочненного нанопокрытиями Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 44 Скобло Т.С.,* Романюк С.П.,* Сидашенко А.И.,* Мальцев Т.В.* Олейник А.К.** * Харьковский национальный технический университет с/х им. П. Василенко; ** Завод им. Малышева, г. Харьков, Украина E-mail: stamarasemenovna@mail.ru ОСОБЕННОСТИ ИЗНОСА ДИСКОВОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА, УПРОЧНЕННОГО НАНОПОКРЫТИЯМИ УДК 621.793.1 Исследованы характеристики трения и износа образцов тонкостенного режущего инструмента из стали 65Г, упрочненных нанопокрытиями WС и CrN. Результаты испытаний показывают, что наиболее высокую износостой- кость и низкий коэффициент трения характерны для варианта с двухслойным нанопокрытием Cr + CrN толщиной 300 нм. Ключевые слова: трение, износ, нанопокрытие, режущий инструмент, микротвердость. В настоящее время существует достаточно много методов и технологий для повышения физико- механических и эксплуатационных характеристик материала режущего инструмента в пищевой перера- батывающей промышленности [1]. Одним из них является нанесение упрочняющих покрытий на по- верхность ножа, которые увеличивают износостойкость в процессе эксплуатации [2]. Это обеспечивается благодаря способности покрытий препятствовать диффузионным процессам, происходящим при износе в режущей кромке. Для уменьшения интенсивности износа режущей кромки и склонности к усталостной повреждаемости инструмента, повышения работоспособности эффективным может быть использование покрытий на основе нитридов и карбидов тугоплавких соединений. Анализ условий эксплуатации режущего инструмента [3] и характера его повреждаемости [4] позволил выявить причину преждевременного выхода из строя ножей из стали 65Г. Для того чтобы оп- ределить параметры технологического процесса нанесения покрытия для упрочнения и продления срока службы сменных деталей необходимо более детальное изучение особенности износа поверхностного слоя, контактирующего с перерабатываемым сырьем. Оптимизация состава и толщины покрытия позво- лят улучшить физико - механические и трибологические характеристики режущей кромки инструмента и уменьшить склонность остальной части (основание и средней) ножа к усталостной повреждаемости. Поэтому целью работы явилось исследование влияния характеристик трения и износа, упроч- ненных нанопокрытиями и азотированием режущего инструмента для дробления орехов в кондитерском производстве из стали 65Г, полученных методом вакуумно - дугового напыления и обработкой в азоти- стой плазме, в различных условиях трения. Исследования проводили сопоставительно исходного образца и 5 с нанопокрытиями, получен- ными с использованием установки типа "Булат-6" методом PVD, при котором используется процесс прямой конденсации испаряемого материала в ВЧ – разряде. Анализировали следующие варианты покрытий: 1 - Cr + CrN (двухслойное) толщиной 300 нм; 2 - 50%С + 50%W толщиной до 20нм; 3 - 50%С + 50%W толщиной до 50 нм; 4,5 - Азотирование (разные параметры обработки). Структуру нанопокрытий исследовали с помощью термоэлектронной эмиссии в растровом элек- тронном микроскопе. Распределение химических элементов в покрытии № 3 по поверхности режущего инструмента приведено на рис. 1. Из рис. 1 можно сделать вывод, что компоненты С и W распределены равномерно по всей по- верхности. Наблюдается незначительная диффузия из основного металла в покрытие атомов железа, ко- торые выделяются из подслоя по границам зерен. Равномерное распределение компонентов и в покрытии CrN Количественное соотношение рас- пределенных компонентов на поверхности дискового ножа, оцененное микрорентгеноспектральным ана- лизом, составляет: 69,54 % хрома, 22,96 % азота и 7,50 % железа. Испытания на износ проводили на машине трения СМТ-1 по схеме "диск - колодка" при отли- чающихся условиях трения. В качестве среды испытаний для образцов были выбраны: - мелкодроблёная сердцевина грецкого ореха с водой (1:1) + 3 % кварцевой пыли; - моторное масло М14В2 + 3 % кварцевой пыли; - ореховое масло + 3 % кварцевой пыли. mailto:stamarasemenovna@mail.ru Особенности износа дискового режущего инструмента, упрочненного нанопокрытиями Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 45 а б в г Рис. 1 – Распределение компонентов в покрытии WС по поверхности ножа Максимально приближенными к реальным условиям эксплуатации является использование сре- ды, состоящей из мелкодроблёной сердцевины грецкого ореха с водой (1:1) + 3 % кварцевой пыли. В качестве контртела для образцов были выбраны ролики, которые были изготовлены из алюми- ния АК4-1 и фторопласта. Нагрузка на образцы составляла 200Н при частоте вращения 500 мин-1. Время испытания каждо- го образца составляло 5 мин. Для измерения величины износа образцов с нанопокрытием использовали лабораторные весы марки WA-200. Полученные результаты представлены в табл.1. Таблица 1 Величины износа образцов после каждого этапа испытаний Величина износа, г № Состав покрытия 1 2 3 0 Исходный образец - 0,0004 - 0,0005 - 0,0005 1 Cr + CrN 0 - 0,0006 + 0,0001 2 50%С + 50%W (20нм) - 0,0010 - 0,0006 - 0,0005 3 50%С + 50%W (50нм) - 0,0005 - 0,0003 - 0,0002 4 - 0,0005 - 0,0004 + 0,0007 5 Азотирование + 0,0013 (задир) + 0,0001 - 0,0009 Из данных табл.1 видно, что двухслойное нанопокрытие Cr + CrN толщиной 300 нм показало наилучший результат по сравнению с другими видами упрочнения в среде мелкодробленой сердцевины грецкого ореха с водой (1 : 1) + 3% кварцевой пыли. Это свидетельствует о более высокой износостойко- сти данного покрытия. Максимальная износостойкость отмечается и в образце с покрытием 50%С + 50%W толщиной до 50нм в среде испытаний с моторным маслом М14-В2 + 3 % кварцевой пыли, а так- же с ореховым маслом + 3 % кварцевой пыли. Испытания азотированного образца привели к задирообра- зованию, что характеризует неоднородность упрочненного слоя. Замеры ширины дорожки трения образцов после каждого этапа испытаний проводили на микро- скопах МИР12 и инструментальном ИМЦ 100 × 50 А (табл. 2). Таблица 2 Ширина дорожки трения образцов после каждого этапа испытаний Ширина дорожки трения, мм Кодировка образца Состав покрытия 1 2 3 0 Исходный образец 1,84 3,89 4,05 1 Cr + CrN 0,978 3,49 3,91 2 50%С + 50%W (20нм) 1,42 3,76 4,01 3 50%С + 50%W (50нм) 1,38 3,54 3,75 4 0,72 3,36 3,52 5 Азотирование 1,55 3,65 4,41 Особенности износа дискового режущего инструмента, упрочненного нанопокрытиями Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 46 После каждого этапа испытаний определяли значения коэффициентов трения образцов. Резуль- таты представлены в табл. 3. Таблица 3 Коэффициент трения образцов после каждого этапа испытаний Коэффициент трения Кодировка образца Состав покрытия 1 2 3 0 Исходный образец 0,11 0,065 0,06 1 Cr + CrN 0,045 0,06 0,06 2 50%С + 50%W (20нм) 0,083 0,07 0,06 3 50%С + 50%W (50нм) 0,06 0,07 0,05 4 0,05 0,06 0,05 0,05 (до задира) 5 Азотирование 0,095 (после задира) 0,06 0,05 Из данных табл. 3 следует, что максимальное значение коэффициента трения составляет 0,11 и соответствует исходному образцу из стали 65Г. Минимальное значение у образца с двухслойным ноно- покрытием Cr + CrN равно 0,045, что характеризует это покрытие как наиболее износостойкое в среде испытаний с мелкодробленой сердцевиной грецкого ореха с водой (1 : 1) + 3 % кварцевой пыли. Усредненные значения величин износа образцов после испытаний представлены на рис. 2. Рис. 2 – Среднее значение коэффициента трения после испытаний Значительное уменьшение коэффициентов трения у образцов с нанопокрытием Cr + CrN и C+W (50 нм) и азотированием, по сравнению с исходным, обеспечивается их более высокой микротвердостью и износостойкостью. Замер микротвердости упрочненных поверхностей образцов с нанопокрытием до- и после каж- дого этапа испытаний проводили на микротвердомере ПМТ – 3 по методу Виккерса при нагрузке инден- тора 50 г. Результаты измерений представлены в табл. 4. Таблица 4 Микротвердость испытанных поверхностей образцов после каждого этапа испытаний Микротвердость, Н-50 Кодировка образца Состав покрытия до испытаний 1 2 3 0 Исходный образец 614 575 530 583 1 Cr + CrN 858 532 549 515 2 50%С + 50%W (20нм) 843 762 539 635 3 50%С + 50%W (20нм) 1111 954 539 555 4 896* 549 565 539 5 Азотирование 896* 705 594 594 * Примечание: азотирование проведено на различную глубину рабочего слоя и проявляется уже после 1 испытания. Из табл. 4 видно, что максимальная микротвердость в исходном состоянии соответствует образ- цу с покрытием 50%С + 50%W толщиной до 50нм и составляет Н-50-1111. После испытаний отмечается значительное ее понижение у всех образцов, что связано с интенсивным износом тонких упрочненных поверхностей. Поэтому наиболее показательным является первый этап испытаний. Минимальная микро- Особенности износа дискового режущего инструмента, упрочненного нанопокрытиями Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 47 твердость после трех испытаний на износ в ореховом масле + 3 % кварцевой пыли равна 515 с двухслой- ным упрочнением Cr + CrN. Это свидетельствует о том, что толщину покрытия для таких изделий следу- ет увеличить. Средние значения микротвердости после испытаний представлены на рис. 2. Рис. 3. – Среднее значение микротвердости до- и после испытаний на износ Максимальное среднее значение микротвердости, как в исходном состоянии, так и после испы- таний соответствует образцу с покрытием 50%С + 50%W толщиной до 50 нм и составляет 682,7. При этом наблюдается и наибольшее ее падение на 38,6 %. Это также свидетельствует о необходимости уве- личения толщины покрытия. Использование упрочнения азотистой плазмой затруднительно для таких тонких ножей в связи с тем, что они деформируются в процессе обработки (нарушается их планшетность). Выводы Проведеные испытания на износостойкость образцов режущего инструмента из стали 65Г с на- нопокрытием показали, что в условиях, максимально приближенных к реальным (мелкодробленая серд- цевина грецкого ореха с водой (1:1) + 3% кварцевой пыли) наиболее высокий уровень износостойкости отмечается у образца с двухслойным покрытием Cr + CrN толщиной 300 нм. Коэффициент трения в этом случае на первом этапе испытаний самый низкий по сравнению с другими вариантами упрочнения. Одновременно микротвердость такого покрытия минимальна, как до- так и после испытаний. Образцы с покрытием 50%С + 50%W толщиной до 20нм показали худшие результаты практиче- ски по всем показателям. Это связано с недостаточной толщиной слоя, потому что такое же покрытие, но уже толщиной 50нм имеет значительно лучшие показатели. Для него характерна максимальная микро- твердость до-Н-50-1111 и после испытаний (Н-50-954) в среде мелкодробленой сердцевины грецкого ореха с водой (1:1) + 3% кварцевой пыли. Коэффициент трения минимальный при испытании в ореховом масле + 3% кварцевой пыли. Максимальная износостойкость отмечается в среде испытаний с моторным маслом М14-В2 + 3% кварцевой пыли, а также с ореховым маслом + 3 % кварцевой пыли. Образец с азотированной поверхностью отличается нестабильностью показаний. Об этом свиде- тельствуют задиры, возникающие в процессе испытаний. В то же время твердость одного из азотирован- ных образцов после испытаний осталась достаточно на высоком уровне и, по сравнению с исходной, уменьшилась после испытаний всего лишь на 29,6 %. Вместе с тем такая технология не может быть ре- комендована для упрочнения тонких ножей из-за их деформации при обработке. Литература 1. Романюк С. П., Анализ методов упрочнения режущих инструментов// Вісник ХНТУСГ: [«Ресурсозберігаючі технології, матеріали та обладнання у ремонтному виробництві»]. – Випуск 133. – Харків, 2013. – С.136 – 142. 2. Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. – М: Машиностроение, 1986. – 190 с. 3. Скобло Т. С. Процессы, происходящие в тонкостенных ножах при их изготовлении и эксплуа- тации / Т.С.Скобло, С.П.Романюк, Е.Л.Белкин, А.И.Сидашенко // Промышленность в ФОКУСЕ. – 2014. – № 3. – С.54 - 57. 4. Скобло Т. С. Кинетика структурных изменений ножей в процессе трения при переработке продук- ции / Т. С. Скобло, А. И. Сидашенко, С. П. Романюк// М. Научное обозрение. – 2014. – № 4. – С. 197-204. Надійшла в редакцію 08.11.2014 Особенности износа дискового режущего инструмента, упрочненного нанопокрытиями Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 4 48 Skoblo T.S., Romanyuk S.P., Sidashenko A.I., Maltsev T.V., Oleynik A.K. Features of wear of the disc cutting tool, hardened by the nanocoatings. Friction and wear characteristics of samples of the thin-walled cutting tool of 65 Mg steel hardened by the WC and CrN nanocoatings was investigated. The test results show that the highest wear resistance and low friction characteristic for variant with the double-layer Cr + CrN nanocoating of 300 nm thickness. Keywords: friction, wear, nanocoating, cutting tools, microhardness. References 1. Romanyuk S. P. Analiz metodov uprochneniya rezhuschih instrumentov. VIsnik HNTUSG: «ResursozberIgayuchI tehnologIYi, materIali ta obladnannya u remontnomu virobnitstvI». Vipusk 133. Harkiv, 2013. pp. 136 - 142. 2. Vereschaka A.S., Tretyakov I.P. Rezhuschie instrumentyi s iznosostoykimi pokryitiyami. M: Mashinostroenie, 1986. 190 p. 3. Skoblo T.S., RomanyukS.P., BelkinE.L., Sidashenko A.I. Protsessyi, proishodyaschie v tonkostennyih nozhah pri ih izgotovlenii i ekspluatatsii. T.S.Skoblo, Promyishlennost v FOKUSE. 2014. No 3. pp.54 - 57. 4. Skoblo T. S., SidashenkoA. I., Romanyuk S. P. Kinetika strukturnyih izmeneniy nozhey v protsesse treniya pri pererabotke produktsii. M. Nauchnoe obozrenie. 2014. No 4. pp. 197 – 204.