1.6. Методы поверхностной модификации

На сегодняшний день одним из наиболее распространенных и эффективных путей совершенствования инструментальных материалов является применение методов поверхностной модификации, заключающихся в направленном изменении физико-механических и кристаллохимических свойств поверхностей и поверхностных слоев инструментов. [2]

При большом разнообразии условий работы инструментов практически во всех случаях наиболее нагруженными оказываются их поверхностные слои, свойства которых определяют работоспособность инструментов в процессе обработки. На разных видах инструментов и при различных условиях резания характер теплосиловых нагрузок весьма разнообразен. Для того чтобы противостоять им, рабочие поверхности инструментов должны иметь высокие показатели целого комплекса свойств — твердости, прочности, теплостойкости и т.д. Однако пока не созданы универсальные инструментальные материалы, обеспечивающие высокую надежность инструментов при разнообразном характере нагружения их рабочих поверхностей при разных видах обработки. При разных видах обработки инструментальные материалы специализированы для определенных условий работы и имеют различные основные свойства, например, как уже было отмечено, быстрорежущие стали характеризуются высокими прочностными свойствами, но имеют сравнительно невысокую твердость и теплостойкость, а минералокерамика, напротив, имеет высокие значения твердости и теплостойкости, но обладает низкими прочностными свойствами. Модификация рабочих поверхностей инструментов позволяет создать режущие инструменты, обладающие уникальным сочетанием на первый взгляд противоречивых свойств, например, высокой прочности и твердости. В настоящее время разработка универсального инструмента, пригодного для эксплуатации в существенно отличающихся условиях резания, за счет применения различных методов поверхностной модификации, является очень важной задачей для инструментального производства и потребителя.

Несмотря на заметный прогресс в области технологий поверхностной модификации режущего инструмента, сегодня обозначился ряд проблем, решение которых возможно лишь на основе глубокого понимания физической сущности влияния модифицированных слоев и различных покрытий на эксплуатационные показатели инструмента.

Основными из этих проблем являются следующие: [2]

1. Развитие технологий поверхностной модификации часто осуществляется без соответствующей теоретической базы, что определяет пассивный характер их развития, базирующийся в основном на методике математического планирования многофакторного эксперимента. Отсюда следует низкая экономическая эффективность затрат на развитие технологий поверхностной модификации и малая вероятность их радикального улучшения.

2. Большое разнообразие методов поверхностной модификации ставит проблему выбора - какой метод является наиболее эффективным для данного вида инструмента и условий его эксплуатации. Таким образом, возникает задача технически грамотного использования методов поверхностной модификации, что невозможно без соответствующих экспериментально обоснованных научных концепций о влиянии различных методов поверхностной модификации на эксплутационные показатели инструмента.

Опишем классификацию методов поверхностной модификации и эффекты, достигаемые за счет их применения.

Многообразие использующихся в инструментальной промышленности методов можно разделить на пять основных групп (рисунок 5):

- нанесение покрытий;

- поверхностное легирование;

- термическое воздействие;

- комбинированная обработка (сочетание указанных методов, относящихся к различным группам).

Поверхностное легирование изменяет химический состав поверхностных слоев режущих инструментов, а термическое воздействие – их структур.

Указанные методы характеризуются различными механизмами воздействия на поверхность и поверхностные слои инструментального материала.

При нанесении покрытий на поверхности режущих инструментов происходит формирование тонких пленок.

При деформационном воздействии происходит наклеп поверхностных слоев режущих инструментов, а также изменяется их микрогеометрия и энергетический запас.

Возможность и целесообразность применения того или иного метода модификации поверхности к конкретному инструментальному материалу определяется целым комплексом факторов. В первую очередь, необходимо соотносить теплостойкость инструментального материала и температуру, при которой осуществляется непосредственно процесс модификации. В таблице 21 представлены общие сведения о возможности и целесообразности использования различных методов модификации для различных групп инструментальных материалов.

По своей сути методы, использующиеся для модификаций рабочих поверхностей режущих инструментов, имеют существенные различия в применяемых источниках энергии, рабочих средах и т.д.

Рис. 5. Классификация метода модификации

рабочих поверхностей режущих инструментов [2]

Таблица 21

Области применения различных методов модификации

Группа	Способ модификации поверхности	Вид инструментального материала
		углеродистые и легированные стали	БРС	твердые сплавы	Керамика	СТМ
1	2	3	4	5	6	7
Нанесение покрытий	Химическое осаждение (НТ-СУО)			+	+	+
	Химическое осаждение (МТ-СУО)			+	+	+
	Химическое осаждение (РА-СУО)		+	+	+	+
	Физическое осаждение (РУО)		+	+	+	+
	Электролитический способ		+	+
	Газотермическое напыление	+	+	+
	Наплавка	+	+	+
Поверхностное легирование	Химико-термическая обработка	+	+	+
	Ионная имплантация	+	+	+	+	+
	Лазерное легирование	+	+	+	+
	Электроискровое легирование	+	+	+	+
	Плазменное легирование	+	+	+	+
Термическое воз действие	Лазерная закалка	+	+
	Электронно-лучевая обработка	+	+
	Криогенная обработка	+	+
	Газоплазменная закалка	+	+
	Закалка ТВЧ	+	+
Деформационное воздействие	Дробеструйная обработка	+	+	+	+
	Магнитно-имnyльсная обработка	+	+	+
	Упрочнение взрывом	+	+	+	+
	Выглаживание и обкатывание	+	+	+	+
	Ультразвуковая обработка	+	+	+	+

Однако, несмотря на это, эффекты, которые могут быть достигнуты при их применении, имеют существенные сходства и связаны с улучшением наиболее важных показателей эффективности (выходных параметров) процесса резания (рисунок 6).

У лучшение выходных параметров процесса резания является следствием изменения функциональных и физических параметров процесса резания, которое в свою очередь является следствием изменения физико-механических и кристалло-химических свойств поверхностей и поверхностных слоев инструментов, происходящих в результате применения того или иного метода модификации.