Типы покрытий металлорежущего инструмента

Вопрос о том, как повысить срок службы инструмента стоял всегда. Особенно, когда речь вставала об обработке высокопрочных твёрдых сплавов. И выход был найден в нанесении упрочняющего покрытия на фрезы, свёрла, метчики и сменные пластины.

О том, зачем металлорежущий инструмент покрывают дополнительным слоем, мы уже писали в нашем блоге. Если кратко, то упрочняющие покрытия значительно повышают срок эксплуатации инструментов, увеличивают стойкость к высоким температурам и коррозии, а также делают их гладкими, уменьшая силу трения во время обработки.

Методы нанесения упрочняющего покрытия

Существует два основных способа нанесения упрочняющего покрытия:

• Chemical Vapour Deposition (CVD) – метод химического осаждения;

• Physical Vapour Deposition (PVD) – метод физического осаждения.

Химическое осаждение CVD происходит в специальной камере с очень высокой температурой (до 1200°C). Материал покрытия подаётся в паровом агрегатном состоянии и за счёт нагрева вступает в реакцию с металлом, из которого изготовлен инструмент.

Второй метод PVD – более популярен за счёт относительной дешевизны. Покрытие в данном случае наносится за счет испарения или распыления. То есть исходные твёрдые материалы переводятся в газовую фазу. Затем при помощи электромагнитного поля транспортируются к режущему инструменту, нагретому до температуры, не превышающей 500°C, где ионизированный материл сталкивается и равномерно конденсируется на режущем инструменте.

Расскажем о каждом способе нанесения упрочняющих покрытий поподробнее.

Основные свойства самых популярных покрытий методом CVD

Первые попытки увеличить износостойкость режущего инструмента сводились к добавлению в состав металла небольшого количества карбида титана (TiC). Однако, чем больше карбида титана было в составе металла, тем более хрупким становился инструмент.

Позже данная проблема была решена за счёт уменьшения слоя упрочняющего покрытия. Тончайшая плёнка TiC не меняла внутренней структуры металла, при этом делала его более прочным и давала возможность использовать его с более быстрой скоростью. Позже на инструмент стали наносить не только карбид, но и нитрид титана (TiN), а также оксид алюминия (Al₂O₃), придавая различные свойства.

• Карбид титана (TiC) увеличивает срок службы твёрдосплавного инструмента и препятствует образованию сколов на режущей поверхности.
• Нитрид титана (TiN) предотвращает образование заусенцев и налипание обрабатываемого металла на режущую кромку, тем самым улучшая качество обработки поверхности.
• Оксид алюминия (Al₂O₃) помогает инструменту работать в условиях повышенных температур, препятствуя его перегреву, так как выступает в роли отличного термоизолятора.

Преимущества и недостатки технологии CVD

За счёт метода химического осаждения можно создавать по-настоящему уникальные покрытия с особыми свойствами. Дело в том, что технология CVD позволяет наносить покрытия в несколько слоёв. В каталогах некоторых производителей можно встретить до 18 (!) типов покрытий для каждого инструмента.

Впрочем, минус у данного метода также имеются. Во время нанесения покрытия инструмент довольно сильно раскаляется, из-за чего в твёрдосплавных инструментах возникает риск образования хрупких фаз.

Основные свойства самых популярных покрытий методом PVD

Сразу к делу. Методом физического осаждения обычно наносят следующие покрытия:

• Нитрид титана (TiN) – самое универсальное покрытие, которое увеличит срок службы инструмента в 3-4 раза! Выступает в качестве механического, термического и химического барьера между режущей кромкой и обрабатываемой деталью. Про это покрытие мы уже писали чуть выше в этой статье.
• Карбонитрид титана (TiCN) обеспечивает высокую твердость и одновременно хорошую ковкость. Для TiCN характерен очень низкий коэффициент трения, за счёт чего можно обрабатывать детали на высоких скоростях.

• Алюминий Титан Нитрид (AlTiN) – покрытие с уникальной нанокомпозитной структурой, которая существенно увеличивает твёрдость, термостойкость (до 900°C) и сопротивление ударным нагрузкам, а также обладает коррозионной стойкостью.

• Алюминий Хром Нитрид (AlCrN) применяется для равномерного износа и сопротивления сколам благодаря высокой термостойкости и отличной производительности в сложных условиях и прерывистых режимах резания. Даже без применения СОЖ.

Преимущества и недостатки технологии PVD

Как мы уже упоминали выше, методом PVD покрытие наносится при щадящей температуре, что позитивно сказывается на металле, из которого сделан инструмент – несильный нагрев никак не сказывается на его прочности.

Покрытие наносится очень тонким слоем – толщина не превышает 5 мкм. Это даёт возможность сохранить режущую кромку максимально острой, что особенно важно во время финишной обработки и обработки с повышенными требованиями к точности и жёсткими допусками на размеры.

Метод PVD требует дорогостоящего оборудования и высококвалифицированного персонала, однако результат легко окупается. Особенно, если инструмент с покрытием необходим для высокоточной обработки.

CVD vs PVD

Чем же отличаются друг от друга два метода нанесения покрытия?

В первую очередь – толщиной. Покрытия, нанесённые методом CVD существенно толще, чем покрытия PVD. Плюсы есть у обоих вариантов. Большая толщина является преимуществом при обработке чугуна и легированной стали. А вот нержавейку или низкоуглеродистую сталь лучше резать инструментом с тонким PVD покрытием.

Покрытия, нанесённые разными методами, также различаются по структуре. Крупнозернистая структура покрытия CVD делает инструмент более стойким к вибрациям, однако абсолютно не подходит при чистовой обработке. Напротив, мелкие зерна покрытия PVD делают его идеальным для чистовой обработки, а также отлично подходят для высокоточного инструмента.