Выбор правильного материала является ключевым фактором для улучшения стойкости и качества инструмента. Различные металлы имеют разные свойства, такие как твердость, прочность и износостойкость. Часто выбирают быстрорежущую сталь (HSS), твердосплавные материалы (например, карбид вольфрама) и керамику. Также существуют специальные методы повышения стойкости режущего инструмента.
Методы термической обработки режущего инструмента
Термообработка изменяет микроструктуру материала, в результате чего достигается более высокая твердость. При этом контроль скорости охлаждения и температуры нагрева очень важен для достижения желаемых результатов и продления срока службы детали. Закалка и отпуск способствуют устранению внутренних напряжений, возникающих в процессе изготовления оборудования или при предыдущих операциях. Это помогает снизить вероятность появления трещин и повреждений, повышая общую прочность конструкции. Отжиг способствует рекристаллизации и росту зерен, что приводит к более однородной структуре.
Во время мартенситного превращения в результате диффузионных процессов материал нагревается до температуры выше точки A3 в диаграмме состояния фазы Fe-C и затем быстро охлаждается. Мартенситная структура обладает высокой твердостью и прочностью, поскольку атомы в ней располагаются более плотно. Превращение происходит при переходе от фазы аустенита к мартенситу. Это делает изделие более устойчивым к износу и деформации. Чаще всего используется быстрорежущая или инструментальная сталь. После обработки они способны поглощать ударные нагрузки, так как мартенсит обладает характеристикой монокристалличности.
Химико-термические методы обработки режущего инструмента
Группа технологий, сочетающая в себе химические и термические процессы, используется для улучшения износостойкости и коррозионной стойкости оборудования. При этом применяются такие виды обработки:
-
Цементация. Это процесс поверхностного упрочнения, при котором структура обогащается углеродом путем нагрева в среде, содержащей углеродные источники (уголь, газы или пасты). Атомы проникают во внутренние слои, создавая упрочненную и более износостойкую поверхность. Цементация обычно сопровождается последующей закалкой и отпуском для получения желаемых механических свойств.
-
Азотирование. Такая обработка обогащает металл азотом, который проникает внутрь и формирует твердые нитридные соединения. Азотирование бывает газовое, ионное и плазменное. Газовые смеси, такие как аммиак (NH3) или азот (N2), превращаются в нитрид железа (Fe3N) или нитрид титана (TiN). Плазма образуется путем воздействия высокочастотного электрического поля на газовую среду. Атомы азота реагируют с металлами, образуя нитридные слои.
-
Борирование. Процесс схож с азотированием, но при этом структура насыщается бором. Обычно применяется боразот (BN) или бороамид (B2H6). Технология бывает газовой, пастовой и жидкостной. Борид железа (FeB) или борид титана (TiB2) обладают высокой твердостью, износостойкостью и химической инертностью. Они также могут улучшить стойкость к высоким температурам, окислению, увеличить срок службы.
Также применяются сульфидирование (реагирование молекул металла с серой), карбонитрирование (способ комбинирует эффекты азотирования и цементации). На производстве часто выбирают ионную имплантацию – введение ионов с помощью электрического поля. Это позволяет модифицировать структуру через образование новых соединений или примесных фаз. Причем такая обработка подходит для металлов, полимеров, керамики и стекла.
Нанесение износостойких покрытий на режущую кромку
Износостойкие покрытия помогают снизить трение, предотвратить износ и улучшить эффективность резания. При химическом осаждении из пара (CVD) покрытие формируется химической реакцией парового состава. Химические реагенты разлагаются при высокой температуре и образуют тонкую пленку. При этом методе могут использоваться покрытия на основе нитрида титана (TiN), нитрида циркония (ZrN), карбида титана (TiC) и других материалов. При физическом осаждении из пара под действием высокого вакуума и электрического разряда атомы покрывающего материала испаряются с источника и осаждаются на поверхности режущего инструмента.
Выделяют химико-физическое осаждение, формирующееся путем химической реакции в плазменной среде. Ионизация газовой смеси создает плазменный разряд. Этот метод обеспечивает хорошую адгезию и позволяет получить тонкие и однородные пленки. Также существует лазерное покрытие. Лазерная пучность нагревает покрывающий материал, вызывая его плавление и осаждение. В качестве сырья выбирают металлический сплав, керамику, алмазоподобное покрытие (DLC). Режущий инструмент подвергается минимальному воздействию, что помогает сохранить его начальные свойства и геометрию.
Электроискровой метод повышения стойкости
При электроискровой обработке (легировании) поверхность режущего инструмента подвергается высокочастотным импульсам, приводящим к формированию тонкого слоя сплава. Процесс включает следующие шаги:
-
Подготовка. Режущий инструмент очищается от загрязнений, окислов и ржавчины, чтобы обеспечить хороший контакт с электродом. Удалить нежелательные покрытия можно скребком или металлической губкой, уксусом или другим домашним средством.
-
Расположение электрода. Проводник помещается на рабочее оборудование или рядом с ним. Нужно обеспечить минимальное расстояние между ними и создать зазор, через который проходит электрический разряд. Электрод может быть изготовлен из сплава, содержащего желаемые элементы для повышения стойкости.
-
Генерация электрических импульсов. Применяется высокочастотный искровой разряд между электродом и деталью. В результате напряжения происходит плавление и испарение электрода, и его атомы и ионы переносятся на поверхность инструмента.
-
Поверхностное легирование. Атомы и ионы электрода осаждаются на поверхности рабочего оборудования, образуя тонкий слой сплава. Химические реакции формируют новые фазы и упрочненные соединения.
Полученное покрытие снижает трение и износ при контакте с другими материалами. Оно обладает смазочными свойствами и улучшает скольжение между трениями элементами. Такой метод подойдет для сверл, фрез, токарных резцов. Электродеформирование постоянным током создает равномерный слой даже на сложной геометрии, включая внутренние полости и труднодоступные места.
Правильная заточка и доводка режущих инструментов
Регулярное затачивание помогает сохранить острые кромки, качество режущего инструмента и оптимальную геометрию. Неправильно или не до конца заточенная деталь требует приложения большего усилия, что может привести к увеличению физической нагрузки и быстрой потери прочности. Сначала следует осмотреть оборудование на наличие зазубрин или повреждений. При необходимости используйте увеличительное стекло для удобства. Если вы заметили какие-либо дефекты, удалите их напильником или болгаркой, прежде чем приступать к затачиванию.
Лучше не использовать шлифовальный станок для заточки из-за риска перегрева. Слишком высокая температура удалит твердость, полученную при термообработке. Но можно также периодически охлаждать деталь в воде или другой среде. Если инструмент имеет хорошую фаску и не имеет зазубрин, а просто затупился, то его можно быстро заточить, обтачивая на масляном камне без предварительной шлифовки. Перед началом рекомендуется покрасить часть, требующую заточки, черным перманентным маркером и обрабатывать металл до тех пор, пока все следы не будут удалены с лезвия.
Чтобы камень не скользил во время использования, его можно зажать в деревянных тисках или закрепить на небольшой доске. Для доводки берут более мелкозернистые точильные камни или специальные приспособления, такие как кожухи. Рекомендуется выбрать точильные круги из зеленого карбида кремния. Также важно смотреть, чтобы части получились симметричными. Следует проверять правильность угла угломером или самодельным шаблоном.
В конце нужно протестировать режущий инструмент: разрезать ножницами бумагу, просверлить отверстие сверлом или выполнить другую операцию.
