eng
Выпуск #4/2022
В. К. Ковальков, Б. Н. Беляев, Н. В. Шведунов, Д. С. Юров
Создание композитного поверхностного слоя – новая технология для инструментальной промышленности
Создание композитного поверхностного слоя – новая технология для инструментальной промышленности
Просмотры: 538
Предложена новая технология обработки инструмента с тонкопленочными износостойкими покрытиями – создание композитного поверхностного слоя, позволяющая повысить износостойкость инструмента. Приведены характеристики разработанного прототипа промышленной установки для обработки твердосплавных пластин.
Теги: technology of creation of composite surface layer thin-film wear-resistant coatings wear resistance of tools износостойкость инструмента технология создания композитного поверхностного слоя тонкопленочные износостойкие покрытия
Создание композитного поверхностного слоя –
новая технология
для инструментальной промышленности
В. К. Ковальков, Б. Н. Беляев, Н. В. Шведунов, Д. С. Юров
Предложена новая технология обработки инструмента с тонкопленочными износостойкими покрытиями – создание композитного поверхностного слоя, позволяющая повысить износостойкость инструмента. Приведены характеристики разработанного прототипа промышленной установки для обработки твердосплавных пластин.
Одним из основных направлений повышения эффективности металлорежущего инструмента является увеличение его ресурса за счет применения тонкопленочных износостойких покрытий, состоящих, например, из различных твердых тугоплавких соединений: TiN, TiCN, TiAlN, ZrN, ZrCN, ZrHfN, CrN, TiC-Al203-TiN и т. д.
Данное направление появилось 50 лет назад, когда фирма Sandvik Coromant представила технологию CVD (Chemical vapor deposition) – химического осаждения покрытий, а в Советском Союзе разработали технологию PVD (Physical vapor deposition) – физического осаждения покрытий.
С тех пор эти технологии непрерывно совершенствовались, появились многослойные покрытия, наноструктурированные покрытия, но ведущими производителями инструмента не было создано принципиально новых технологий.
Известно, что механические свойства определяются энергиями связей в кристаллической решетке и дефектами, которые всегда присутствуют в металлах и сплавах. Энергетические воздействия радиации, звуковых волн и потоков электронов высоких энергий вызывают изменения кластерных структур как тонкопленочных износостойких покрытий, так и основы инструмента.
Анализ известных экспериментальных исследований показал, что в результате энергетического воздействия изменяется наноструктура поверхностного слоя [1, 2], уменьшается количество дефектов кристаллической решетки [3], изменяются размеры блоков (кластеров), точечные дефекты преобразуются в дислокационные петли, ориентированные по направлению воздействия [4, 5], в кристаллической решетке появляются дополнительные связи за счет атомов внедрения [6].
По результатам совместных исследований, выполненных в НИИ механики МГУ, НИИЯФ МГУ и ООО «ЛЭУ МГУ» при финансовой поддержке ООО «МИИ» и ООО «Кибердок», появилась инновационная технология – создание композитного поверхностного слоя (СКПС, Creation of Composite Surface Layer – CCSL) и был создан прототип промышленной установки для обработки инструмента по данной технологии.
Технология CCSL осуществляет модификацию приповерхностного слоя. Технология обработки материала базируется на использовании воздействия непрерывного потока электронов энергией порядка 1 МэВ от линейного ускорителя электронов. Глубина модификации существенно превышает расчетную и экспериментально подтвержденную длину пробега электронов [5]. При трибомеханическом нагружении (в процессе резания) происходят структурные превращения в приповерхностных слоях модифицированных твердых сплавов [2] на глубину в сотни микрон.
С 2015 года проводились экспериментальные исследования по обработке инструмента и натурные испытания на предприятиях России. В результате выполненных исследований было установлено, что за счет структурных изменений в поверхностном слое можно увеличить износостойкость инструмента, имеющего PVD или CVD покрытие от 1,5 до 3 раз. У инструмента не имеющего износостойкого покрытия стойкость можно повысить до 6 раз. Прототип промышленной установки – УМПС «АЛИСА» (лабораторный образец) – располагается в НИИЯФ МГУ и имеет производительность в десятки раз превышающую этот показатель у лучших зарубежных установок для нанесения покрытий PVD или CVD.
Было обработано и испытано более 2000 твердосплавных пластин компаний КЗТС, MPT, Sandvik, ISCAR, ZCC и т. д. Пластины были как без покрытия, так и с покрытием (TiAlN, TiAlCrYN, TiCN, TiN, DLC, MoS2). Повышение износостойкости (работоспособности) составило от 1,5 до 3 раз в зависимости от обрабатываемого материала и режимов резания.
Интересные результаты были получены в деревообработке: цепи фирмы STIHL после обработки стали служить до переточки в 6 раз дольше.
Инструмент по технологии CCSL подвергается воздействию электронов высокой энергии, но инструмент после обработки не имеет остаточной радиации и полностью безопасен для персонала. Разработанная конструкция установки для промышленного применения (модуль М1) полностью защищает персонал от воздействия электронов высоких энергий и соответствует требованиям безопасности (рис. 1). Эксплуатация модуля М1 требует получения лицензии на работу с источниками ионизирующего излучения, однако разработанная радиационная защита ограничивает мощность дозы от работающей установки на уровне менее 1 мкЗ в час в любой доступной персоналу точке на расстоянии 0,1 м от поверхности устройства и позволяет устанавливать модуль в любом производственном помещении.
Для установки УМПС «АЛИСА», расположенной в НИИЯФ МГУ, технологический цикл обработки партии пластин до 20 тыс. шт. типа CNMG120408 составляет семь календарных дней и включает:
приемку инструмента – 1 день;
обработку на УМПС – 1 день;
стабилизацию параметров – 3 дня;
термообработку – 1 день;
отгрузку инструмента – 1 день.
Новый технологический цикл может начинаться на следующий день. Таким образом, производительность данной установки составляет более 1 млн шт / год пластин типа CNMG120408.
ЛИТЕРАТУРА
Кабалдин Ю. Г. и др. Исследование свойств износостойких покрытий на основе фрактального подхода // Известия ТПУ. 2002. Т. 305, вып. 1 С. 100–102.
Полещенко К. Н., Орлов П. В., Геринг Г. И., Вершинин Г. А., Иванов Ю. Ф. Структурные превращения в приповерхностных слоях модифицированных твердых сплавов при трибомеханическом нагружении // Вестник Омского университета. 1997. Вып. 3. С. 35–37.
Мамонтов А. П., Чернов И. П. Эффект малых доз ионизирующего излучения / 2‑е изд., перераб. и доп. Томск: Дельтаплан, 2009. 288 с.
Суздалев И. П., Суздалев П. И. Нанокластеры и нанокластерные системы. Организация, взаимодействие, свойства // Успехи химии. 2001. Т. 70. Вып. 3. С. 203–240
Левшунова П. Л., Питиримова Е. А., Похил Г. П.. Тетельбаум Д. И. Новые особенности эффекта дальнодействия при наблюдении его на электронографе // Труды 10‑й международной конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом» 24–27 сентября 2013 г. Минск, Беларусь. С. 52–55.
Гречихин Л. И. Физический механизм упрочнения и разрушения конструкционных материалов водородом // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 3. С. 7–13.
АВТОРЫ
Ковальков Валерий Константинович – кандидат технических наук, ст. науч. сотр. НИИ механики МГУ имени М. В. Ломоносова
Беляев Борис Николаевич – генеральный директор ООО «Кибердок»
Шведунов Николай Васильевич – ведущий специалист
НИИ ядерной физики МГУ
Юров Дмитрий Сергеевич – кандидат физ.-мат. наук,
ст. науч. сотр. НИИ ядерной физики МГУ
новая технология
для инструментальной промышленности
В. К. Ковальков, Б. Н. Беляев, Н. В. Шведунов, Д. С. Юров
Предложена новая технология обработки инструмента с тонкопленочными износостойкими покрытиями – создание композитного поверхностного слоя, позволяющая повысить износостойкость инструмента. Приведены характеристики разработанного прототипа промышленной установки для обработки твердосплавных пластин.
Одним из основных направлений повышения эффективности металлорежущего инструмента является увеличение его ресурса за счет применения тонкопленочных износостойких покрытий, состоящих, например, из различных твердых тугоплавких соединений: TiN, TiCN, TiAlN, ZrN, ZrCN, ZrHfN, CrN, TiC-Al203-TiN и т. д.
Данное направление появилось 50 лет назад, когда фирма Sandvik Coromant представила технологию CVD (Chemical vapor deposition) – химического осаждения покрытий, а в Советском Союзе разработали технологию PVD (Physical vapor deposition) – физического осаждения покрытий.
С тех пор эти технологии непрерывно совершенствовались, появились многослойные покрытия, наноструктурированные покрытия, но ведущими производителями инструмента не было создано принципиально новых технологий.
Известно, что механические свойства определяются энергиями связей в кристаллической решетке и дефектами, которые всегда присутствуют в металлах и сплавах. Энергетические воздействия радиации, звуковых волн и потоков электронов высоких энергий вызывают изменения кластерных структур как тонкопленочных износостойких покрытий, так и основы инструмента.
Анализ известных экспериментальных исследований показал, что в результате энергетического воздействия изменяется наноструктура поверхностного слоя [1, 2], уменьшается количество дефектов кристаллической решетки [3], изменяются размеры блоков (кластеров), точечные дефекты преобразуются в дислокационные петли, ориентированные по направлению воздействия [4, 5], в кристаллической решетке появляются дополнительные связи за счет атомов внедрения [6].
По результатам совместных исследований, выполненных в НИИ механики МГУ, НИИЯФ МГУ и ООО «ЛЭУ МГУ» при финансовой поддержке ООО «МИИ» и ООО «Кибердок», появилась инновационная технология – создание композитного поверхностного слоя (СКПС, Creation of Composite Surface Layer – CCSL) и был создан прототип промышленной установки для обработки инструмента по данной технологии.
Технология CCSL осуществляет модификацию приповерхностного слоя. Технология обработки материала базируется на использовании воздействия непрерывного потока электронов энергией порядка 1 МэВ от линейного ускорителя электронов. Глубина модификации существенно превышает расчетную и экспериментально подтвержденную длину пробега электронов [5]. При трибомеханическом нагружении (в процессе резания) происходят структурные превращения в приповерхностных слоях модифицированных твердых сплавов [2] на глубину в сотни микрон.
С 2015 года проводились экспериментальные исследования по обработке инструмента и натурные испытания на предприятиях России. В результате выполненных исследований было установлено, что за счет структурных изменений в поверхностном слое можно увеличить износостойкость инструмента, имеющего PVD или CVD покрытие от 1,5 до 3 раз. У инструмента не имеющего износостойкого покрытия стойкость можно повысить до 6 раз. Прототип промышленной установки – УМПС «АЛИСА» (лабораторный образец) – располагается в НИИЯФ МГУ и имеет производительность в десятки раз превышающую этот показатель у лучших зарубежных установок для нанесения покрытий PVD или CVD.
Было обработано и испытано более 2000 твердосплавных пластин компаний КЗТС, MPT, Sandvik, ISCAR, ZCC и т. д. Пластины были как без покрытия, так и с покрытием (TiAlN, TiAlCrYN, TiCN, TiN, DLC, MoS2). Повышение износостойкости (работоспособности) составило от 1,5 до 3 раз в зависимости от обрабатываемого материала и режимов резания.
Интересные результаты были получены в деревообработке: цепи фирмы STIHL после обработки стали служить до переточки в 6 раз дольше.
Инструмент по технологии CCSL подвергается воздействию электронов высокой энергии, но инструмент после обработки не имеет остаточной радиации и полностью безопасен для персонала. Разработанная конструкция установки для промышленного применения (модуль М1) полностью защищает персонал от воздействия электронов высоких энергий и соответствует требованиям безопасности (рис. 1). Эксплуатация модуля М1 требует получения лицензии на работу с источниками ионизирующего излучения, однако разработанная радиационная защита ограничивает мощность дозы от работающей установки на уровне менее 1 мкЗ в час в любой доступной персоналу точке на расстоянии 0,1 м от поверхности устройства и позволяет устанавливать модуль в любом производственном помещении.
Для установки УМПС «АЛИСА», расположенной в НИИЯФ МГУ, технологический цикл обработки партии пластин до 20 тыс. шт. типа CNMG120408 составляет семь календарных дней и включает:
приемку инструмента – 1 день;
обработку на УМПС – 1 день;
стабилизацию параметров – 3 дня;
термообработку – 1 день;
отгрузку инструмента – 1 день.
Новый технологический цикл может начинаться на следующий день. Таким образом, производительность данной установки составляет более 1 млн шт / год пластин типа CNMG120408.
ЛИТЕРАТУРА
Кабалдин Ю. Г. и др. Исследование свойств износостойких покрытий на основе фрактального подхода // Известия ТПУ. 2002. Т. 305, вып. 1 С. 100–102.
Полещенко К. Н., Орлов П. В., Геринг Г. И., Вершинин Г. А., Иванов Ю. Ф. Структурные превращения в приповерхностных слоях модифицированных твердых сплавов при трибомеханическом нагружении // Вестник Омского университета. 1997. Вып. 3. С. 35–37.
Мамонтов А. П., Чернов И. П. Эффект малых доз ионизирующего излучения / 2‑е изд., перераб. и доп. Томск: Дельтаплан, 2009. 288 с.
Суздалев И. П., Суздалев П. И. Нанокластеры и нанокластерные системы. Организация, взаимодействие, свойства // Успехи химии. 2001. Т. 70. Вып. 3. С. 203–240
Левшунова П. Л., Питиримова Е. А., Похил Г. П.. Тетельбаум Д. И. Новые особенности эффекта дальнодействия при наблюдении его на электронографе // Труды 10‑й международной конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом» 24–27 сентября 2013 г. Минск, Беларусь. С. 52–55.
Гречихин Л. И. Физический механизм упрочнения и разрушения конструкционных материалов водородом // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 3. С. 7–13.
АВТОРЫ
Ковальков Валерий Константинович – кандидат технических наук, ст. науч. сотр. НИИ механики МГУ имени М. В. Ломоносова
Беляев Борис Николаевич – генеральный директор ООО «Кибердок»
Шведунов Николай Васильевич – ведущий специалист
НИИ ядерной физики МГУ
Юров Дмитрий Сергеевич – кандидат физ.-мат. наук,
ст. науч. сотр. НИИ ядерной физики МГУ
Отзывы читателей
