Зносостійкість різального інструменту після іонного азотування у безводневих насичуючих середовищах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 43 Гончар В.А., Паршенко А.В., Донченко Т.В. Хмельницький національний університет м. Хмельницький, Україна E-mail: rogervova@gmail.com ЗНОСОСТІЙКІСТЬ РІЗАЛЬНОГО ІНСТРУМЕНТУ ПІСЛЯ ІОННОГО АЗОТУВАННЯ У БЕЗВОДНЕВИХ НАСИЧУЮЧИХ СЕРЕДОВИЩАХ УДК 621.793 В статті описані дослідження зносостійкості метало ріжучого інструменту, підвищення його довговічності шляхом зміцнення азотуванням в тліючому розряді в безводневих середовищах. Ключові слова: інструмент, тліючий розряд, азот, зносостійкість. Інструмент є основною складовою машинобудівного виробництва, від якості та стану якого за- лежить не тільки продуктивність праці, але і якість продукції, що виготовляється. Тому підвищення зно- состійкості різального інструментує (рис. 1) є важливою народногосподарською задачею, вирішення якої сприяє зростанню економічності та конкурентоспроможності виробів та виробництва загалом. Питанням вивчення та вирішення даної проблеми присвячено багато робіт [1 - 9], аналіз яких показує, що перспек- тивними методами підвищення зносостійкості інструменту є нанесення зносостійких покриттів методами осадження у вакуумі [1, 2], електроіскрового легування [3], хіміко - термічної обробки в плазмі тліючого розряду [4, 7, 8], лазерної термообробки [9] тощо. Однак, дана проблема до кінця не вирішена і залиша- ється актуальною на даний час. Рис. 1 – Металорізальний інструмент В роботах [5, 6, 10 - 12] показано, що в процесі різання на задній поверхні різального інструмен- ту виникають великі контактні напруження, які викликають його інтенсивне зношування, в результаті чого проходить перерозподіл внутрішніх напружень різальної частини інструменту, що погіршує харак- теристики напружено-деформованого стану поверхневого шару і приводить до виникнення та розвитку мікротріщин, і, як наслідок, викришування леза інструменту. Дослідження напружено-деформованого стану конструктивних елементів деталей з покриттями [13] показують, що найсприятливішою з точки зору міцності та зносостійкості є градієнтна структура матеріалу з плавним зменшенням твердості по глибині шару від поверхні до серцевини. Таку структуру забезпечують дифузійні покриття і, зокрема, азотування в тліючому розряді. Застосування низькотемпературної плазми тліючого розряду для дифузійного зміцнення повер- хонь, що працюють в умовах значних контактних навантажень, відкриває нові можливості підвищення їх економічності, керованості, розширення діапазону застосування властивостей поверхонь деталей та під- вищення їх експлуатаційних характеристик. Нами розроблені технології зміцнення поверхонь різального інструменту методом нанесення дифузійних покриттів в плазмі тліючого розряду в безводневих середовищах (суміші азоту з аргоном) з отриманням на поверхні інструментальних сталей і твердих сплавів нітридних фаз, які, виключають шкі- дливі викиди в атмосферу та покращують умови праці, забезпечують підвищення у декілька разів їх зно- состійкості, зниження у 10 разів тривалості процесу обробки та енергозатрати. В традиційних процесах газового азотування як насичуючі гази застосовуються аміак чи суміш азоту із воднем. Особливістю да- Зносостійкість різального інструменту після іонного азотування у безводневих насичуючих середовищах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 44 них розроблених технологій є те, що водень, який входить до складу насичуючого середовища, заміню- ється аргоном. Це приводить до зміни кінетики процесу дифузійного насичення: на 20 - 25 % зменшуєть- ся енергія активації і на 15 - 20 % збільшується константа швидкості. У зв’язку із тим, що атомна маса аргону у 40 разів перевищує атомну масу водню, в результаті бомбардування поверхні деталі іонами ар- гону інтенсивніше проходить процес іонного очищення поверхні від окислів та утворюється значна кіль- кість дефектів, які і сприяють прискоренню процесу дифузії азоту вглиб металу. Бомбардування поверхні іонами азоту в період дифузійного насичення підсилює процес зворотного катодного розпилювання, в результаті чого на поверхні окрім нітридних ε- і γ`- фаз утворюються ще і α-фаза, що сприяє підвищен- ню пластичності поверхневого шару. Саме застосування безводневих насичуючих середовищ в техноло- гічних процесах дозволило виключити водневе окрихчування металів і підвищити надійність та довгові- чність конструкційних елементів виробів та інструменту. В Хмельницькому національному університеті розроблено та експлуатується обладнання для обробки в тліючому розряді (рис. 2). а б Рис. 2 – Обладнання для обробки деталей (а) та плазма тліючого розряду Для маломірного інструменту та інструменту, що при експлуатації сприймає ударні навантажен- ня, перевагу надають низькотемпературним процесам насичення, які забезпечують глибину шару до 15 мкм. Для крупного інструменту, що працює в «лагідних» умовах різання, можливе застосування високо- температурного процесу з наступним відпалюванням в аргоні. В результаті азотування інструменту збі- льшується його зносостійкість, червоностійкість, зменшується налипання металу і, як наслідок, підвищу- ється довговічність. Особливості формування зміцненого шару на вольфраммістких сталях типу Р18 та Р6М5 в пер- шу чергу визначаються особливістю їх складу і структурного стану. Головним чинником, що впливає на твердість шару, є склад твердого розчину, і, перш за все, наявність у ньому W, Mo та V. Нітриди, що оса- джуються в азотованому шарі швидкорізальної сталі, характеризуються підвищеною дисперсністю, твер- дістю та стійкістю проти коагуляції при нагріванні. Мікроструктура азотованого шару інструменту при 520 °С протягом 1 години є твердим α-розчином, що легований азотом, з рівномірно розподіленими ніт- ридами легуючих елементів типу (W, Fe)2N та (Cr, Fe)2N. При вищих температурах і збільшенні тривало- сті витримки при азотуванні на поверхні швидкорізальної сталі утворюється ε - фаза, збагачена легую- чими елементами, якій притаманна підвищена крихкість, тому для різального інструменту її утворення небажане. Це свідчить про те, що важливими чинниками режиму азотування в тліючому розряді є трива- лість процесу насичення і температура на поверхні оброблюваної деталі. Зносостійкість різального інструменту після іонного азотування у безводневих насичуючих середовищах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 45 Попередні дослідження зносостійкості кінцевих фрез, зміцнених іонним азотуванням, проводи- лись у виробничих умовах. Уся партія фрез із сталі Р6М5 діаметром від 6 до 18 мм була якісно заточена, частина фрез відібрана і оброблена азотуванням у тліючому розряді при 5-ти різних режимах, характери- стика яких наведена в табл. 1. Таблиця 1 Режими азотування фрез в тліючому розряді в безводневих середовищах Склад середовища, % Номер режиму ХТО Температура, °С Тиск у камері, Па азот аргон пропан Тривалість, хв I 490 220 75 25 - 30 II 490 220 75 22 3 30 III 490 220 75 22 3 60 IV 490 220 75 25 - 20 V 490 220 75 22 3 20 Матеріали деталей, що оброблялись: сплави ЛС-59, ВТ-1, Д16Т, ВТ-5; сталі 45, 12Х18Н9Т, ХВГ, У8А. Ступінь затуплення зубів фрез оцінювалась за технологічними показниками: зміною розмірів елементів деталей та погіршенням параметра шорсткості поверхонь, що оброблялись. У разі їх невідпо- відності вимогам до деталей фреза вважалась такою, що вичерпала період стійкості, тобто затупленою. Для об’єктивності оцінки ефективності зміцнення кінцевих фрез, виготовлених із сталі Р6М5, методом іонного азотування, фрези при обробці матеріалів ВТ1, 12Х18Н9Т і ХВГ випробовувались без застосу- вання мастильно-охолоджувальної рідини. Попередні дослідження дозволили визначити час роботи зміцнених фрез, за якого величина зношування різального краю зміцненої фрези була одного порядку із зношуванням звичайного інструме- нту перед його переточуванням, а відправною точкою відліку при оцінюванні ефективності зміцнення фрез азотуванням у тліючому розряді була прийнята нормативна тривалість роботи інструменту без змі- цнення, тобто Т = 30 хв. Як контрольний використовували інструмент із тієї ж партії, що і зміцнений, тому параметри за- точки кінцевих фрез (як зміцнених, та і не зміцнених) були однакові. Режими різання були прийняті на- ступними: n = 500-900 об/хв, S = 12,5-160 мм/хв і B = 3 - 10 мм. Вибір режимів різання обумовлений від- сутністю застосування мастильно-охолоджувальної рідини. Враховуючи, що робота усього інструменту проходила в одних і тих же умовах, результати дос- ліджень відображають реальне співвідношення стійкості зміцнених і необроблених фрез. Результати попередніх досліджень, що наведені в табл. 2, свідчать про зростання стійкості фрез при обробці важкооброблюваних матеріалів від декількох до десятків разів. Таблиця 2 Результати попередніх досліджень стійкості фрез Режими різання № п/п ХТО фрези Діаметр фрези, мм n, об/хв S, мм/хв B, мм Матеріал деталей Тривалість роботи, хв Причини виходу із ладу 1 + 6 500 12,5 4 ВТ-5 100 Зношування 2 + 8 630 40 6 ВТ-5 125 Затуплення 3 + 12 500 40 5 ВТ-5 40 Затуплення 4 + 8 900 160 10 ЛС-59 900 Затуплення 5 + 8 630 160 5 Д16Т 400 Затуплення 6 + 8 630 50 3 сталь45 75 Затуплення 7 + 8 500 25 6 У8А 60 Затуплення 8 - 8 900 160 6 ЛС-59 30 Поломка 9 - 8 630 40 6 ВТ-5 30 Поломка 10 - 8 500 25 6 У8А 40 Поломка 11 + 12 400 31,5 8 12Х18Н9Т 100 Затуплення 12 - 12 400 31,5 8 12Х18Н9Т 40 Затуплення Зносостійкість різального інструменту після іонного азотування у безводневих насичуючих середовищах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 46 Для детальнішого вивчення впливу режиму азотування на працездатність кінцевих фрез із сталі Р6М5 був проведений експеримент, в процесі якого фіксувалось зношування зубів звичайних та зміцне- них фрез на задній поверхні. Вимірювання зношування зубів кінцевих фрез по задній поверхні проводилось з використанням інструментального мікроскопа БМИ-1Ц з ціною поділки шкали відліку 0,005мм. Величина зношування для кожного зуба фрези визначалась як середнє арифметичне чотирьох вимірювань, тобто 4 4321 hhhhhzi   , мкм (див. рис. 1). Отримані результати представлені в табл. 3. Таблиця 3 Результати досліджень зношування фрез після азотування в тліючому розряді за різними режимами Режим азотування Типорозмір фрези Оброблювальний матеріал Середнє зношування зубів zih , мкм Ø18 12Х18Н9Т 115 Ø12 12Х18Н9Т 126 Ø10 ВТ-1 235 Ø10 ХВГ 330 Ø8 ВТ-1 226 Ø8 12Х18Н9Т 288 ІІ Ø8 ХВГ 360 Ø18 12Х18Н9Т 98 Ø10 ХВГ 100 Ø10 ВТ-1 220 Ø8 ХВГ 148 ІІІ Ø8 12Х18Н9Т 96 Ø10 12Х18Н9Т 326 Ø8 ХВГ 220 IV Ø8 ВТ-1 170 Ø10 12Х18Н9Т 160 Ø10 ХВГ 360 Ø8 ВТ-1 135 V Ø 8 ХВГ 220 Результати досліджень роботи партії контрольних інструментів у тих же умовах наведені в табл. 4. Таблиця 4 Результати досліджень зношування партії контрольних фрез Типорозмір фрези Оброблювальний матеріал Час роботи, хв Середнє зношування зубів zih , мкм Ø18 12Х18Н9Т 30 115 Ø12 12Х18Н9Т 30 126 Ø10 ВТ-1 30 235 Ø10 ХВГ 4 330 Ø8 ВТ-1 14 226 Ø8 12Х18Н9Т 7 288 Ø8 ХВГ 3 360 Аналіз отриманих результатів показує, що при обробці сталі 12Х18Н9Т зношування зубів зміц- нених фрез в порівнянні із зношуванням звичайних фрез зменшилось в середньому від 2 до 6 разів. При усіх інших рівних умовах при обробці сталі ХВГ і сплаву ВТ-1 зміцнені кінцеві не ідуть в порівняння із звичайними, час роботи яких до поломки становив не більше 15 хв. Зносостійкість різального інструменту після іонного азотування у безводневих насичуючих середовищах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 47 Порівнюючи різальні властивості фрез із сталі Р6М5, що зміцнювались при різних режимах, мо- жна зробити висновок, що кращим виявився режим ІІІ: t =490 °С, р = 220Па, Т = 60 хв, склад середови- ща – 75 % азоту, 22 % аргону і 3 % пропану. Проте, слід відмітити, що різкої відмінності різальних властивостей кінцевих фрез, оброблених азотуванням при різних режимах, немає. Приміром, для обробки титанових сплавів можна рекомендува- ти режими IVі V; для обробки нержавіючої сталі – ІІ і ІІІ. Кращі результати при обробці сталі ХВГ отри- мані при використанні режимів ІІІ і IV. Узагальнюючи, слід констатувати, що застосування іонного азотування для зміцнення металорі- зального інструменту, виготовленого із швидкорізальних сталей, при вірному підборі режиму азотування може підвищити зносостійкість інструменту у декілька разів, що сприятиме зростанню економічності та ефективності машинобудівного виробництва. Література 1. Верецкая А.С., Трешвянов И.А. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. – М.: Машиностроение. – 1986. – 186 с. 2. Хасуй А. Техника напыления. – М.: Машиностроение. – 1975. – 288 с. 3. Резников Д.И., Муха И.М., Даниленко С.А. Упрочнение инструментов и технологической оснастки методом електроискрового легирования на установках ЭФИ–46А и ЕЛФА – 512 // Электронная обработка материалов. – 1987. – № 2. – С. 87-89. 4. Каплун В.Г., Урбанюк Є.А. Зміцнення робочих поверхонь деталей, інструменту і оснащення іонним азотуванням в безводневих середовищах // Сб. науч. труд. ХІ междун. науч.-техн. конференции “Машиностроение и Техносфера ХХІ века”. – 2004. –Том 3. – С. 254-258. 5. Мазур М.П. Визначення дійсних напружень на задній поверхні різального інструменту / Реза- ние и инструмент в технологических схемах. – 1999.  № 53. – С. 199-204. 6. Мазур М.П. Вплив зношування інструменту на контактні процеси на його поверхнях // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. – 1999.  № 9.  С. 81-86. 7. Каплун В.Г., Снозик О.В. Про механізм впливу іонного азотування на зносостійкість вольфра- мо-кобальтових твердих сплавів // Матер. міжн. наук.-техн. конф. «Сверхтвердые инструментальные ма- териалы на рубеже тысячелетий: получение, свойства, применение». - К. : ИСМ НАН Украины. – 2001. – С. 171-172. 8. Каплун В.Г. Особенности формирования дифузного слоя при ионном азотировании в безводо- родных средах / Физическая инженерия поверхности.  Харьков. – 2003. № 2. – Т. 1. – С. 141-146. 9. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. – М.: Металлургия.  1985.  256 с. 10. Бураков В.А., Федосеенко С.С. Формирование структур повышенной износостойкости при лазерной закалке металлообрабатывающего инструмента // Металловедение и термическая обработка металлов. – 1983.  № 5. – С. 16-17. 11. Каплун В.Г. Вплив покриттів на зносостійкість і довговічність підшипників кочення // Про- блеми трибології (ProblemsofTribology). – Хмельницький. – 2003. – № 4. – С. 131-140. 12. Каплун В.Г., Каплун П.В., Паршенко К.А. Пути повышения износостойкости и долговечнос- ти конструктивних элементов при действии цыклических контактных напряжений // Межвед. сб. науч. труд. “Прогресивные технологии и системы в машиностроении». – Донецк: ДНТУ.  2005.  Вып. 30.  С. 97-104. 13. Каплун П.В. Дослідження напружено-деформованого стану пластини з покриттями при кон- тактному навантаженні // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 1999. – № 4. – С. 179-182. Надійшла в редакцію 01.06.2018 Зносостійкість різального інструменту після іонного азотування у безводневих насичуючих середовищах Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 2 48 Gonchar V.A., Parshenko A.V., Donchenko T.V. Resistance of cut tool after ion nitriding in non-hydrogen inflammable environments. The tool is a basic component of machine-building production, the quality and condition of which de- pends on the quality of manufactured products. The solution contributes to increasing the profitability and com- petitiveness of products and production in general. Promising methods of increasing the wear-resistance of the tool are the application of wear-resistant coatings by methods of deposition in vacuum, electrospray doping, chemical-thermal treatment in a plasma of glow discharge, laser heat treatment. Studies show that the most fa- vorable in terms of durability and wear resistance is the gradient structure of the material with a smooth decrease in hardness over the depth of the layer from the surface to the core. We have developed technologies for strengthening the surfaces of the cutting tool by the method of applying diffusion coatings in the plasma of the glow discharge in non-aqueous media (a mixture of nitrogen and argon) and obtaining on the surface of tool steels and solid alloys of nitride phases. It was the use of anhydrous saturated environments in technological processes to exclude the hydrogen permeation of reinforced products and tools. Khmelnitsky National University has developed and operated equipment for processing in the glow discharge. For a more detailed study of the ef- fect of the nitriding regime on the performance of the end mills, an experiment was conducted in which the wear of the teeth of conventional and reinforced mills was fixed on the back surface. The analysis of the obtained re- sults shows that during the treatment of steel the wear of the teeth of the strengthened mills in comparison with the wear of conventional mills decreased by an average of 2 to 6 times. The use of ion nitriding to strengthen the metal cutting tool made from high-speed steels, with the correct selection of the nitriding regime, can increase the durability of the tool several times, which will increase the cost-effectiveness and efficiency of machine- building production. Key words: tool, glow discharge, nitrogen, wear resistance. References 1. Vereckaja A.S. Treshvjanov I.A. Rezhushhie instrumenty s iznosostojkimi pokrytijami. M. Mashi- nostroenie. 1986. 186s. 2. Hasuj A. Tehnika napylenija, M. Mashinostroenie. 1975.- 288s. 3. Reznikov D.I., Muha I.M., Danilenko S.A. Uprochnenie instrumentov i tehnologicheskoj osnastki metodom elektroiskrovogo legirovanija na ustanovkah JeFI–46A i ELFA – 512. Jelektronnaja obrabotka materi- alov. 1987. № 2. s. 87-89. 4. Kaplun V.G., Urbanjuk Є.A. Zmіcnennja robochih poverhon' detalej, іnstrumentu і osnashhennja іonnim azotuvannjam v bezvodnevih seredovishhah. Sb. nauch. trud. HІ mezhdun. nauch.-tehn. konferencii “Mashinostroenie i Tehnosfera HHІ veka”, Donec'k. 2004. Tom 3. s. 254-258. 5. Mazur M.P. Viznachennja dіjsnih napruzhen' na zadnіj poverhnі rіzal'nogo іnstrumentu. Rezanie i instrument v tehnologicheskih shemah, 1999. № 53, s. 199-204. 6. Mazur M.P. Vpliv znoshuvannja іnstrumentu na kontaktnі procesi na jogo poverhnjah. Vіsnik Zhi- tomirs'kogo іnzhenerno-tehnologіchnogo іnstitutu. 1999, № 9. s. 81-86. 7. Kaplun V.G., Snozik O.V. Pro mehanіzm vplivu іonnogo azotuvannja na znosostіjkіst' vol'framo- kobal'tovih tverdih splavіv. Mater. mіzhn. nauk.-tehn. konf. «Sverhtverdye instrumental'nye materialy na rubezhe tysjacheletij: poluchenie, svojstva, primenenie». K. ISM NAN Ukrainy. 2001. S 171-172. 8. Kaplun V.G. Osobennosti formirovanija difuznogo sloja pri ionnom azotirovanii v bezvodorodnyh sredah. Fizicheskaja inzhenerija poverhnosti. Har'kov. 2003. № 2, t. 1. s. 141-146. 9. Lahtin Ju.M., Arzamasov B.N. Himiko-termicheskaja obrabotka metallov, M., Metallurgija, 1985, 256 s. 10. Burakov V.A., Fedoseenko S.S. Formirovanie struktur povyshennoj iznosostojkosti pri lazernoj za- kalke metalloobrabatyvajushhego instrumenta. Metallovedenie i termicheskaja obrabotka metallov. 1983, № 5. S. 16-17. 11. Kaplun V.G. Vpliv pokrittіv na znosostіjkіst' і dovgovіchnіst' pіdshipnikіv kochennja. Problemi tribologії (ProblemsofTribology). Hmel'nic'kij. 2003. № 4. S. 131-140. 12. Kaplun V.G., Kaplun P.V., Parshenko K.A. Puti povyshenija iznosostojkosti i dolgovechnosti kon- struktivnih jelementov pri dejstvii cyklicheskih kontaktnyh naprjazhenij. Mezhved. sb. nauch. trud. “Progresiv- nye tehnologii i sistemy v mashinostroenii» Doneck, DNTU, 2005.vyp. 30, s. 97-104. 13. Kaplun P.V. Doslіdzhennja napruzheno-deformovanogo stanu plastini z pokrittjami pri kon- taktnomu navantazhennі. Vimіrjuval'na ta obchisljuval'na tehnіka v tehnologіchnih procesah. 1999. №4. S. 179-182.