Автоматизации процессов в современном производстве требует максимального повышения эффективности, что в свою очередь, повышает требования к качеству и износостойкости инструментов. Наиболее прогрессивный метод улучшения рабочих качеств инструмента – нанесение на его поверхность специальных покрытий, обладающих необходимыми свойствами. Покрытие сообщает предмету свою твердость или вязкость, химическую стойкость или теплопроводность, а также увеличивает запас прочности.
Покрытия на основе титана
Титановые покрытия значительно повышают поверхностную твердость основы даже при очень высоких температурах, в результате износостойкость инструмента многократно увеличивается. За счет снижения трения между инструментом и объектом обработки, зачастую отпадает необходимость применять охлаждение, а скорость работы возрастает от 10 до 50 %. Обыкновенно, их используют для обработки твердосплавных инструментов, например, сверл и разнообразного режущего оборудования. Покрытие нитрид титан-алюминия (TiAlN) позволяет сохранять твердость 2800 HV даже при температуре 7500, применяется для работы по материалам сложным для обработки. Нитрид титана (TiN) остается твердым при 5400, его используют для модификации хирургических инструментов и оборудования пищевой промышленности. Очень твердое покрытие карбонитрид титана 4000 HV (TiCN) применяется для работы по чугуну, кремнистому алюминию, абразивным материалам.
Эпиламы
Фторсодержащие растворы, называемые эпиламами, создают на поверхности предметов тончайшую пленку, которая придает им коррозионную стойкость, защищает от влаги, снижает поверхностную энергию и трение, а, в конечном счете, повышает износостойкость. Область применения необычайно широка: от обработки режущего инструмента до микросборок и радиоплат печатного монтажа. Например, «Эпилам 6СФК-180-05» применяется для металлорежущего, металлообрабатывающего, деревообрабатывающего инструмента, для придания износостойкости и антиадгезионных свойств поверхностям. Кроме того, его используют в различных отраслях машиностроения и приборостроения.
Хром-алмазные покрытия
Технология хромирования с применением кластерных наноалмазов детонационного синтеза была разработана в опытно-конструкторском бюро ООО «РАМ». Отталкиваясь от широко распространенного метода электролитического хромирования, инженеры компании ввели в состав электролита коллоидный раствор кластерного (ультрадисперсного) наноалмаза, который изменил механизм осаждения металла. Структура такого покрытия значительно улучшает адгезию хрома и копирует микрорельеф поверхности, что увеличивает предельные напряжения сдвигового отрыва от основы. Наноалмазы, размером 4-6 нм, имеют свойство осаждаться вместе с металлом из растворов солей при электрохимическом и химическом восстановлении. В результате образовывается двухфазное композиционное электрохимическое покрытие: слой хрома, в который внедрены дисперсные частицы наноалмазов. Эти алмазы по форме близки к сфере или овалу, и состоят из твердого инертного ядра, покрытого химически активной оболочкой. В зависимости от того, какие вещества выбираются в качестве оболочек, состава электролита и нюансов технологического процесса, возможно получение покрытий с различными заданными свойствами. Такое покрытие по износостойкости в 2-6 раз надежнее по сравнению с обычным твёрдым хромированием, его микротвёрдость — 1400 HV, при толщине покрытия от 0,5 до 500 мкм. Основой могут служить любые инструментальные, углеродистые, штамповые стали, чугун, медь, латунь.
Методики нанесения покрытий
На сегодняшний день разработано множество методик нанесения покрытий. Их можно разделить на две большие группы: методы химического и физического осаждения покрытий. Физические методы: ионно-плазменное напыление, генерация потока осаждаемого вещества термическим испарением (газотермическое напыление), лазерное и электроискровое упрочнение. Химические методы: эпиламирование
Газотермическое напыление включает электродуговую металлизацию, газопламенное напыление и плазменное напыление. Принцип прост: расплавленный электрической дугой или пламенем ацетиленовой горелки порошок или проволока распыляются по обрабатываемой поверхности. Обыкновенно, метод применяется для упрочнения и защиты деталей машин.
Лазерное и электроискровое упрочнение используется для нанесения покрытий на режущий инструмент и технологическую оснастку. Процесс основан на свойствах плазменных импульсных искровых разрядов между электродом и обрабатываемой поверхностью. Работа проводится в воздушной среде. Электрод периодически касается поверхности, перенося на нее металл.
Эпиламирование повышает износостойкость режущего инструмента, образуя на поверхности мономолекулярную пленку. Обрабатываемый предмет погружается в раствор (либо раствор наносится пульверизатором), содержащий активное вещество, которое абсорбируется на твердой поверхности. В результате, стойкость к износу инструмента или детали машины увеличивается от 2 до 5 раз. Круг материалов, которые можно обрабатывать эпиламами, очень широк: металлы, абразивы, узлы трения, полимеры, хрупкие неметаллические материалы и так далее. В настоящее время более 600 предприятий России применяет эпиламирование в производстве.
Финишное плазменное упрочнение (ФПУ) применяется для изготовления инструмента с особыми свойствами поверхности: стойкостью к износу, коррозии, фреттинг-коррозии и высоким температурам, а также – антифрикционностью и антисхватыванием. На поверхности основы образуется диэлектрическое пленочное покрытие, обладающее низким коэффициентом теплопроводности, химически инертное, с низкой топографией поверхности. Плазменное упрочнение проводится при атмосферном давлении: между плазмотроном и изделием проходит разряд. К дуге подается аргон в качестве плазмообразующего газа, а материалом для покрытия, которое появляется в результате плазмохимических реакций, служит жидкий двухкомпонентный препарат СЕТОЛ. Преимуществом метода являются низкие температуры процесса: заготовка нагревается всего на 100-120 °С, что позволяет обрабатывать инструментальные стали с низкой температурой отпуска. А свойства покрытия из оксикарбонитрида кремния по микротвёрдости приближаются к алмазоподобным покрытиям, характеризуются высокой адгезионной прочностью и низким коэффициентом трения.
Научно-производственная фирма «Плазмацентр» ведет исследования и проектирование в области производства инструмента и технологической оснастки с повышенным ресурсом работы. Ее создавали ученые факультета технологий и исследования материалов Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, за плечами которых четверть века работы по проблематике нанесения защитных покрытий, упрочнения и сварки. Среди крупнейших заказчиков фирмы «КАМАЗ», ОАО «Ижевский машиностроительный завод», ОАО «УРАЛМАШ», Ракетно-космический завод, ГКНПЦ им. М.В.Хруничева, ОАО «Корпорация «Иркут», и другие. Одна из важнейших разработок компании – Установка для финишного плазменного упрочнения УФПУ-111: предназначена для безвакуумного нанесения износостойкого нанопокрытия на инструмент, технологическую оснастку, детали машин (без изменения шероховатости поверхности, при нагреве изделия не более 100°С). В составе установки: плазмотрон с плазмохимическим генератором, блок аппаратуры с жидкостным дозатором, прибор контроля нанесения покрытия, источник питания, передвижной и настольный манипуляторы. Потребляемая мощность – не более 5 кВА, номинальный ток – 100 А, номинальное рабочее напряжение – не более 40 В.
Установка UR-121, разработанная в компании «ПЭЛМ» – компактна и проста в использовании, предназначена для нанесения легирующих покрытий на режущий инструмент. Больше подходит для мастерских и лабораторий. Обработка инструмента занимает несколько минут. Установка включает генератор, ручной электромагнитный вибратор, контактную пластину, соединительные провода и комплект электродов. Потребляет 120 W, при 220 V. Одного электрода достаточно для обработки 800 см2 упрочняемой поверхности при толщине наносимого слоя 20 мкм и глубине диффузионного слоя до 50 мкм. Стоимость установки UR-121 от компании-производителя: 67000 рублей с запасом твердосплавных электродов на два года работы.
Небольшая шведская автомастерская, основанная в 1904 году, в процессе развития специализировалась на нанесении износостойких покрытий. Накопив большой опыт, в 1997 году компания назвалась Ionbond, полностью посвятив себя современным технологиям нанесения покрытий и изготовления оборудования для таких работ. Установки для химического и электрохимического осаждения металлов, вакуумно-плазменные установки компании «Ionbond» экспортируются по всему миру: Европа, Америка, Азия. В частности, внимания заслуживают установки «Bernex BPX» серии CVD: оборудованы дублированными электронными системами диагностики и управления процессом, могут быть применены к широкому спектру составов покрытий, на любой основе.
Современные станки и линии с числовым программным управлением, работающие в непрерывно высоком темпе и экстремальных условиях, нуждаются в деталях, обладающих большим запасом прочности и надежности. Новейшие инструментальные покрытия позволяют изготавливать оборудование, удовлетворяющее самым высоким требованиям.
