Физико-технические процессы нанесения покрытий, прогнозирования режимов механической обработки

режущим инструментом с покрытием

г. Киев2011 г.

В.Н. Жиленковканд. техн. наук

Преимущества применения композитных материалов:-Высокие удельные прочностные характеристики (B = 3500 Мпа);-Высокая жесткость (Е = 130-240 ГПа);-Высокая износостойкость, усталостная прочность;-Теплоизолирующие свойства, жаропрочность;-Легкость, размеростабильность конструкции;-Получение материалов с наперед заданными уникальными свойствами.Вопросы, требующие решения при механической обработке композитных материалов:-Высокая стоимость, наукоёмкость производства;-Необходимость применения специального дорогостоящего оборудования;-Ужесточение режимов резания;-Применение специальных высокопроизводительных РИ;-Решение физико-химических вопросов (налипание матрицы на РИ);-Учет анизотропии свойств;-Экологические вопросы.

Объем применяемых композитных материалов в конструкцияхсовременных самолетов составляет более 50%.

Классификация, цветовые характеристикиприменяемых ионно-плазменных покрытий на РИ

ПокрытиеЦвет

покрытия

Микро-твердость,

HV

Нанотвер-дость, ГПа

Толщина, мкм

Коэф. трения

Макс. Т применения,

ºСTiN Золотой 2300 24 1 – 7 0,55 600

TiAlN однослойное

Фиолетово-черный

330035 1 - 4 0,5 800

TiAlN многослойное

Фиолетово-черный

330028 1 – 4 0,6 700

AlTiSiN   3200       1100

TiCN-MP Красно-медный

 32 1 – 4 0,2 400

TiCN Серо-голубой 3000 37 1 – 4 0,2-0,4 400

TiCN + TiNЗолотисто-желтый

3000     0,4 400

WC/C Черно-серый 1000 / 2000     0,1-0,2 300

TiAlN + WC/C Темно-серый 3000     0,15-0,2 800

MoS2 Серо-зеленый   - 0.5 – 1.5 0,15 400

TiCN-MP + MoS2

Серо-зеленый  

32 1.5 – 5.5 0,15 400

CrNСеребристо-металлический

1750 18 1 – 4 0,3-0,5 700

AlCrN Серо-голубой 3200     0,35 1100

AlCr Серо-голубой 3300     0,35-0,4 1100

Ti2N Серебристый   25 1 – 3 0,45 600

TiAlCN Фиолетово-красный

 28 1 – 4 0,25 500

CrN + CBC Серый   20 1.5 – 6 0,15 400

CBC (DLC) Серый 2500 20 0.5 – 4 0,1-0,2 400

Алмазоподоб-ное покрытие

Светло-серый8000 - 10000

    0,15-0,2 600

TiAlCN + CBC

Серый  

28 1.5 – 6 0,15 400

ZrN Бело-золотой   26 1 – 4 0,5 550

AlTiN Черный   38 1 – 4 0,7 800

mAlTiN Черный   38 1 – 2 0,3 800

nc-AlTiN / Si3N4

Фиолетово-голубой  

45 1 – 4 0,45 1100

№Соедине

ние

Теплота образования Н,

кДж/моль

Коэф. терм. расширения α*106, 1/К

Коэф. теплопров. ,

Вт/м*К

Свобод. эн. образ.

соед. кДж/моль

МикротвердостьМодуль упруг. I

рода Е*10-

9, Па

Коэф. Пуансона

Нм*10-9 Па

Весо. коэф.

1 TiC 232,3 8,330,1 (1500К)

6,8 (300К)183,5 31,7 1 460 0,19

2 ZrC 200,4 7,01 11,6 185,2 29,6 2 355 0,19

3 HfC 227,6 6,9 6,3 203,7 28,3 4 359…504 0,18

4 VC 102,3 7,5 9,8 52,5 20,1 10 430 0,3

5 V2C 148,7 7,4   90,7 28 5 420  

6 Nb2C 190,7 7,0 11,3 89,921 8   568  

7 NbC 141 7,6 11,3 142,8 21,7 7 345…580 0,21...0,23

8 TaC 198,2 7,8 20 143,1 17,4 13 440…537  

9 Ta2C 145,3 7,09 22,1 161,7 17,2 14 291 0,24

10 Cr23C6 593,1 10,1 19,7 68,9 16,63 15 380 0,196

11 Cr7C3 205 9,4 15,3 175,1 18,22 11 380 0,191

12 Cr3C2 98,3 11,7 19,2 35,7 12,74 22 380  

13 No2C 45,8 7,8 31,9 28,2 17,64 12 544  

14 MoC 10,1 0,6 31,9 8,4 15 19 500  

15 W2C 46,2 6,4 29,4 49,1 29,4 3 428  

16 WC 35,3 23,8 29,4 38,223,5…

24,56 710 0,19…0,31

17 TiN 337,7 9,3567,7 (1500К)

12,6 (300К)337,3 20,5 9 256 0,25

18 ZrN 366,7 7,24 28,3 365,4 15 19 400 0,24

19 HfN 371 6,9 19,1 341,9 10 16 275 0,28

20 VN 252 9,2 13,8 252 13,1 21 350 0,25

21 V2N 256,6 3,26 8,4   17,2 14 340  

22от NbN0.9 до

NbN1

  10 4,38…4,24       450  

23 NbN 238,6 10,1 3,8 (300К) 206,6 14,61 20 493 0,26

24 Ta2N 271 5,2 10,1   12,2 23 580  

25 TaN 247,8 3,6 5,5 497,7 24,16 6 587 0,25

26 Cr2N 105,8 9,41 21,8 218,1 15,4 18 310 0,25

27 CrN 118,4 2,3 11,9 268,8 10,93 24 330 0,26

28 Mo2N 69,7 6,2 18,1 144,5 6,3 26 417  

29 W2N 72,2 3,7         512  

30 Si2N3 753,9 2,75 2,75 16,8 6,55 25 275…304 0,07…0,18

31 BN 254 6,4 6,4 21 2,55 27 809…973 0,07…0,18

32 -Al2O3 1681 8 8 30,2 15,48 17 450 0,23

Физико-механические характеристики применяемых покрытий

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Ti5Si3 2400 10,8 355,1 26,8 4,35 27,76 211  

Zr5Si3 248 7,2 259 8,7 4,88   153  

Hf5Si3 2870   765 9 7,2      

V5Si3 2280 9,5   11,4 4,42   114  

Nb5Si3 2750 4,6 225   5,45      

Ta5Si3 2770 6,5     8,83   108  

Cr5Si3 1990 10,6 240   4,4 52,92 153  

Mo5Si3 2450 6,7 156 19,5 6,3 58,5 46,7  

W5Si3 2640 6,2 530 46,6 9,33 242,8 93  

P-SiO2 2000 2 10,6 12-5        

Cr3Si 1980 10,5         35  

CrSi 1920 11,3         139  

CrSi2 1730           914  

Mn3Si       14     160  

Mn5Si3       6,7     1360  

MnSi       9,4     250  

Mn11Si19             4000  

Mn19Si26       8,5     1666  

MnSi2             462  

Fe3Si   12,5         130  

Fe5Si   11,9         117  

FeSi   12,7         271  

FeSi2   6,7         27400  

Co2Si   13,4         66,2  

CoSi   12,0         86  

CoSi2   10,1         14  

N3Si   9,0         93  

N5Si   11,5         149  

N2Si   16,5         20  

Покрытия Тпл, К*106, 1/град

Е*10-9, ГПа

, Вт/м*град

*10-3, кг/м3

Ср, КДж/кг*град

*108, Ом*м

Микро-твердость, Н,

ГПа

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Al2O3 2473 8,8 402 30-7 3,7-3,8      

MgO 3073 13,5 317,6 24,4-9,3 3,3-3,5      

CaO 2773 9,0 95,8 15,1-8,1 3,0-3,1      

SiO2 кварц 1973 2,0 95,6 12,8-7,0 2,3-2,6      

NiO 2473 12 210 12,8-4,7 5,0-5,1      

TiO2 1873 7,4 277…136 8,1-3,5 4,0-4,1      

ZrO2 3173 10,0 185,4 2,0-2,3 5,2-5,3      

UO2 3023 8,0 230 12,8-47 10,2-10,97      

ThO2 3473 9,0 249 10,5-2,3 8-10      

PuO2 2273     3,0 10,4      

TiB2 3257 8,1 545…446 67,5 4,45 44,25 14,4  

ZrB2 3317 6,81 350…419 67,5 5,8 50,24 16,6  

HfB2 3527 5,73 509       8,8  

VB2 2673 7,5 273…340       19  

NbB2 3273 8 637 46,6 6,0   34  

TaB2 3373 5,12 686…262 30,2 11,7      

CrB2 2473 11,1 215…450 62,1 5,6 51,25    

Mo2B5 2373   671 74,4 8 8 18,0  

W2B5 2573   774 84,4 11   43  

BeO 28,27 5,5…10,8 400 33,5-8,4 2,2-2,95 100    

0,25TiB2+ZrB2   4,9 422,2 59,5       41

0,5TiB2+ZrB2   5,0 451,5 61       33

0,75TiB2+ZrB2   5,7 358,5 62,5       23

0,25TiB2+NbB2   5,5 578 34       38

0,5TiB2+NbB2   5,3 540 44       35

0,75TiB2+NbB2   6,1 499 54       35

0,25TiB2+Mo2B5   5,1 613 35,5       34

0,5TiB2+Mo2B5   5,6 558 45       29

0,75TiB2+Mo2B5   6,4 507 54,5       27

Перспективные покрытия из окислов, боридов, диборидов и силицидов

Факторы, оказывающие влияние на эффективную работу покрытия

Многофакторный процесс нанесения ионно-плазменного покрытия

Комплексный метод выбора эффективного покрытия, прогнозирования технологических параметров его нанесения и режимов механической обработки

Зависимости многофакторного процесса нанесения ионно-плазменного покрытия

Метод выбора эффективного покрытия, прогнозирования рациональных технологических параметров его нанесения и режимов механической обработки

от технологических параметров его нанесения и режимов резания

Р, Па I, А Т, К U, ВV,

м/минS, мм/об (мм/зуб)

t, мм b, ммСтойкость Th=0,4, мин

Тоб / Тнеоб

Производи- тельность П,

мм3 / мин

Снимаемый объем материала за период

стойкости G, мм3

Gоб / Gнеоб

ВЧ СК - - - - 117,75 0,78 0,8 - 133,5 1 7,35E+04 1,64E+05 1

ВЧ СК - - - - 117,75 0,61 0,8 - 207 1 5,78E+04 1,99E+05 1,213

ВЧ СК + 0,8ZrN+0,2HfN 0,25* 130* 600* 250* 117,75 0,78 0,8 - 395 2,192 7,35E+04 4,84E+05 2,95

ВЧ СК + 0,8ZrN+0,2HfN 0,25* 130* 600* 500* 117,75 0,61 0,8 - 784 3,78 7,35E+04 7,50E+05 4,57

ВЧ Т15К6 - - - - 117,75 0,78 0,8 - 230 1 7,35E+04 2,81E+05 1

ВЧ Т15К6 +0,8ZrN+0,2HfN 0,25* 130* 600* 250* 117,75 0,78 0,8 - 657 2,8 7,35E+04 7,67E+05 2,98

ВЧ Т15К6 +0,8ZrN+0,2HfN 0,25* 130* 600* 500* 117,75 0,78 0,8 - 633 2,81 7,35E+04 7,91E+05 2,87

ВЧ ТН20 - - - - 117,75 0,78 0,8 - 320 1 7,35E+04 3,95E+05 1

ВЧ ТН20 - - - - 148,37 0,78 0,8 - 162 1 9,55E+04 2,57E+05 1

ВЧ ТН20 + 0,8ZrN+0,2HfN 0,25* 130* 600* 250* 117,75 0,78 0,8 - 614 1,92 7,35E+04 7,55E+05 2,11

ВЧ ТН20 + 0,8ZrN+0,2HfN 0,25* 130* 600* 250* 148,37 0,78 0,8 - 393 2,42 9,55E+04 6,26E+05 1,75

35ХГСА Р6М5 - - - - 130 0,15 0,5 - 9 1 9,77E+03 8,80E+04 1

35ХГСА Р6М5 + 0,8ZrN+0,2HfN 0,33* 130* 600* 250* 130 0,15 0,5 - 95 10,51 9,74E+03 9,26E+05 10,5

DIN 1.0726 Т С - - - - 191 0,05 4 - 5 1 3,82E+04 1,91E+05 1

DIN 1.0726 Т С + TiCN 0,1-0,3** 100-130** 500-700** 250-500** 191 0,05 4 - 42,5 8,51 3,81E+04 1,62E+06 8,5

Чугун 40 / 90 Т С + TiAlN 0,1-0,3** 100-130** 500-700** 250-500** 180 0,2 0,24 - 16 1 8,62E+05 1,38E+05 1

Чугун 40 / 90 Т С + µTiAlN 0,1-0,3** 100-130** 500-700** 250-500** 180 0,2 0,17 - 34 2,12 6,12E+03 2,08E+05 1,5

Х2СrNiMo17132 Т С + TiAlN 0,1-0,3** 100-130** 500-700** 250-500** 220 0,25 0,24 - 13 1 1,32E+04 1,72E+05 1

Х2СrNiMo17132 Т С + µTiAlN 0,1-0,3** 100-130** 500-700** 250-500** 220 0,25 0,21 - 28 2,15 1,15E+04 3,23E+05 1,88

Inconel 718 Т С + TiAlN 0,1-0,3** 100-130** 500-700** 250-500** 50 0,04 6 3 15 1 1,91E+03 2,86E+04 1

Inconel 718 Т С + µTiAlN 0,1-0,3** 100-130** 500-700** 250-500** 50 0,04 6 3 22 1,47 1,91E+03 4,20E+04 1,47

DIN 1.2344 Т С + TiAlN 0,1-0,3** 100-130** 500-700** 250-500** 80 0,15 0,8 4 216 1 2,44E+03 5,28E+05 1

DIN 1.2344 Т С + AlCr 0,1-0,3** 100-130** 500-700** 250-500** 80 0,15 0,8 4 347 1,61 2,44E+03 8,48E+05 1,6

DIN 3.7164 Т С + TiAlN 0,1-0,3** 100-130** 500-700** 250-500** 95 0,05 24 24 20 1 1,45E+05 2,90E+06 1

DIN 3.7164 Т С + µTiAlN 0,1-0,3** 100-130** 500-700** 250-500** 95 0,05 24 24 20 1 4,36E+05 8,71E+06 3

DIN 1.2510 Т С + TiAlN 0,1-0,3** 100-130** 500-700** 250-500** 140 0,15 0,3 10 1,8 1 1,17E+04 2,11E+04 1

DIN 1.2510 Т С + µTiAlN 0,1-0,3** 100-130** 500-700** 250-500** 140 0,15 0,3 10 4,75 2,64 1,20E+04 5,72E+04 2,7

DIN 1.2379 Т С + TiAlN 0,1-0,3** 100-130** 500-700** 250-500** 170 0,1 0,2 0,2 574 1 4,32E+01 2,48E+04 1

DIN 1.2379 Т С + AlCr 0,1-0,3** 100-130** 500-700** 250-500** 170 0,1 0,2 0,2 851 1 4,32E+01 3,68E+04 1,3

* - данные, полученные в результате эксперимента СК - пластина компании "Сандвик Коромант" ВЧ - высокопрочный гильзовый чугун** - принятые режимы по результатам исследования Т С - твердосплавная пластина µTiAlN - наноградиентное покрытие TiAlN

Функциональные характеристики покрытияМатериал РИ / покрытие или упрочнение

Режимы резанияУсловия нанесения покрытия

Фр

езер

ов

ани

еТ

оч

ени

е

Обрабаты-ваемый

материал

Оп

ерац

ия

Функциональные характеристики покрытий в зависимости от технологических параметров его нанесения и режимов резания

Особенности механической обработкикомпозитных материалов

Динамика разрушения:- учет разрушения матрицы и наполнителя;- геометрия РИ должна исключить раскалывание и расслаивание волокон;- выкрашивание, выдергивание волокон из матрицы; обрыв, срез волокон влияет на точность и шероховатости поверхности;- оплавление, прожиг и обугливание матрицы;- в зависимости от наполнителя возможно как хрупкое, так и вязкое разрушение.

Физико-химические вопросы:- низкая теплопроводность матрицы КМ способствует концентрации тепла в зоне резания;- изменение физико-механических свойств под действием солнечного излучения;- налипание, высокая адгезия составляющих матрицы на рабочих поверхностях РИ;- волокнистые и слоистые наполнители склонны к впитыванию СОЖ.

Режимы резания:- интенсивный износ РИ;- повышенная стойкость РИ к абразивному износу;- специальная геометрия режущей части РИ;- низкая теплопроводность матрицы КМ способствует концентрации тепла в зоне резания;- различный характер стружкообразования в зависимости от наполнителя матрицы;- уменьшение времени контакта РИ с обрабатываемой деталью.

Экология:- выделение газообразных токсичных веществ из-за локальной деструкции матрицы;- образование мелкодисперсной пыли;- затруднена ремонтопригодность конструкций – необходимы методы переработки и утилизации;- затруднено (невозможно) вторичное использование композитных материалов.

Спасибо за внимание!

• ООО «Укр-прогресстех» ukr@progresstech.ru

• Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»