Последствия воздействия механического напряжения на усталостную прочность твердосплавного инструмента при программируемых нагрузках: [ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.00.00, кандидат наук Кензуке Уемура

• Кензуке Уемура
• кандидат наук
• 1976

Оглавление диссертации кандидат наук Кензуке Уемура

Глава 1 Литературный обзор

1*1 Введение 6 .

1*2 Использование сверхтвердого сплава для изготовления режущих инструментов, 11 1*2*1 Использование сверхтвердого сплава системы WC, 11 1*2*2 Применение керамических инструментов, 17 1*2*3 Использование инструмента из металлокерамики, 21 1 *2*4 Использование сверхтвердого сплава с покрытием, 23 1 *2*5 Влияние механического напряжения на усталостную прочность при программируемой нагрузке 27

1*3 Производственный процесс осаждения покрытия на сверхтвердые сплавы, 29 1*3*1 Производство порошка прекурсора 29

1*3*2 Производство порошковой смеси для изготовления инструмента 31

1*3*3 Прессование 32

1*3*4 Спекание и формование 33

1*3*5 Спекание 33

1*3*6 Покрытие 35 ;

1*3*7 Процесс контроля материала 35

1*4 Использование твердого сплава с покрытием для режущего инструмента 35 1*4*1 Технологии осаждения покрытий 35

1 *4*2 Износ твердосплавного режущего инструмента с покрытием 37 1*4*3 Факторы, влияющие на работу твердосплавного режущего инструмента 38 1*4*4 Последствия воздействия напряжения на усталостную прочность твердосплавного инструмента при программируемой нагрузке 43

1*5 Использование метода химического осаждения в производстве режущею инструмента 45 1*5*1 Метод химического осаждения 43

1 *5*2 Проблемы использования мегодахимичесюш осаждения для твердых сплавов 49

1*6 Использование метода физического осаждения в производстве режущею инструмента 56 1*6*1 Метод физического осаждения для инструмента 56 1*6*2 Проблемы метода физического осаждения для твердых сплавов 63

1*7 Заключение 64

1*8 Результаты воздействия напряжения на усталостную прочность при программируемой нагрузке 65

Литература 78

Глава 2 Исследование твердого сплава с покрытием, сформированным методом химического осаждения из газовой фазы; влияние воздействия напряжения на усталостную прочность при программируемой нагрузке

2*1 Влияние содержания углерода в подложке на структуру и прочность твердого сплава с покрытием, сформированным методом химического осаждения из газовой фазы. 86 2*1*1 Предисловие 87

2*1*2 Подготовка образцов и схема эксперимента 87 2*1*3 Результаты эксперимента 87

(A) Изменение структуры границы раздела зерен 87

(B) Характерное изменение покрытия TiC 90

(C) Прочность твердого сплава с покрытием 91 2*1*4 Анализ результатов эксперимента 94

2*1*5 Заключение 97 Литература 99

2*2 Влияние De -(3 Фазы на характеристики подложки из твердого сплава с покрытием, сформированным методом химического осаждения 100 2*2*1 Предисловие 100

2*2*2 Подготовка образцов и схема эксперимента 101 2*2*3 Результаты эксперимента 102 2*2*4 Анализ результатов 105 2*2*5 Заключение 108 Литература 109

2*3 Характеристики сверхтвердого сплава с двухслойным покрытием TiC и А1203 110 2*3*1 Предисловие 110

2*3 *2 Подготовка образцов и схема эксперимента 110 2*3*3 Результаты экспериментов 112

(A) Изменение свойств покрытия 112

(B) Прочность на разрью при комнатной температуре 116

(C) Предел прочности на разрыв при высокой температуре 117 2*3*4 Анализ результатов121

2*3*5 Заключение 125 Литература 127

t

2*4 Характер и работа сверхтвердых сплавов, покрытых методом химическою осаждения 128 2*4*1 Предисловие 128

2*4*2 Подготовка образцов и схема эксперимента 129 2*4*3 Результаты эксперимента и анализ 131

(A) Испытания резанием с образцами из TiC, Ti (С, N), и AI2O3131

(B) Уровень теплопроводности образцов из TiC, Ti (С, N), и AI2O3 (спеченное изделие) 132

(C), Испытания резанием твердосплавного инструмента с покрытиями TiC, Ti (С, N), TiN, AI2O3134 !

2*4*4 Заключение 142 Литература 144

2*5 Особенности твердого сплава, покрытого TiC методом плазменного химического осаждения 145

2*5*1 Предисловие 145

2*5*2 Подготовка образцов и схема эксперимента 147 2*5*3 Результаты эксперимента 149

(A) Структура покрытия TiC 149

(B) Механические характеристики твердого сплава с покрытием TiC 154

(C) Режущие характеристики твердосплавного инструмента с покрытием TiC 156 2*5*4 Анализ результатов 161

2*5*5 Заключение 164 Литература 166

Глава 3 Исследование метода физического осаждения (ионное осаждение) ' для покрытия твердых сплавов.

3*1 Нанесение покрытий TiC, TiN на твердые сплавы с помощью метода физического осаждения 167

3*1*1 Предисловие 167

3*1*2 Подготовка образцов и схема эксперимента 168 3*1*3 Результаты эксперимента и анализ 170

(A) Исследование структуры покрытий 170

(B) Кристаллографическая ориентация TiC и TiN 173

(C) Особенности резания и усталостная прочность 178 3*1*4 Заключение 183

Литература 185

3*2 Сравнение характеристик сверхтвердых сплавов, покрытых методом физического и химического осаждения 186 3*2*1 Предисловие 186

3*2*2 Подготовка образцов и схема эксперимента 186 3*2*3 Результаты эксперимента 188 ;

(А) Сравнение стойкости к разрушению при физическом и химическом методе

осаждения 188

(B) Различия прочности на изгиб в методах физического и химического осаждения 192

(C) Адгезия 194

(Б) Испытания прерывистой токарной обработкой 196 (Е) Испытания фрезерованием 199

(Р) Применение твердого сплава, покрытого методом РУБ 201 3*2*4 Заключение 202 Литература 204

3*3 Исследования метода физического осаждения для покрытия инструмента из быстрорежущей стали 205 3*3*1 Введение 205

3*3*2 Подготовка образцов и схема эксперимента 207 3*3*3 Результаты эксперимента и анализ 209

(A) Фундаментальные характеристики 209 (1-) Износостойкость 209

(2) Ударная вязкость 214

(3) Шероховатость 215

(4) Последствия воздействия напряжения на усталостную прочность образцов при программируемой нагрузке 218

(B) Применение 219 3*3*4 Заключение 224

Литература 224

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Последствия воздействия механического напряжения на усталостную прочность твердосплавного инструмента при программируемых нагрузках: [»

Хотя автор в основном занимался исследованием, развитием и производством твердосплавного материала, он сохранил убеждение, что сверхтвердый сплав с нанесенным на его поверхность покрытием является очень многообещающим материалом для режущего инструмента, и приложил все усилия для развития его коммерческого производства в частных предприятиях.

В настоящее время сверхтвердый сплав с покрытием стал основным материалом для режущего инструмента, но существует еще много нерешенных проблем и нерешенных задач в данной области. Данная диссертация представляет результаты, полученные при исследовании технических проблем, возникающих при коммерциализации производственного процесса.

Применение плазменных методов для обработки режущего инструмента из сверхтвердых материалов способствовало повышениию эффективности резания металла, сокращению расхода инструментам и улучшению точности обработки совместно с улучшением самого инструмента. Важное место занимает разработка новых технологий производства таких материалов, как алмаз, спеченные компактные материалы из CBN (кубический нитрид бора), керамика, металлокерамика (сплавы на основе TiC-TiN), и твердых сплавов с покрытиями.

Рис. 1.1.1 показывает количество потребляемого в Японии неперетачиваемого1 режущего инструмента в зависимости от состава и

^перетачиваемый инструмент: инструмент, не допускающий повторного использования

качества материала по годам. Мы видим, что количество инструмента с покрытиями увеличивается каждый год.

На диаграммах рис. 1.1.1 не включен алмазный инструмент, и инструмент из спеченных материалов типа CBN, так как такого инструмента используется малое количество. Кроме того, хотя быстрорежущая сталь используются для производства сложных инструментов, таких как сверла, червячные фрезы, они едва ли, могут использоваться для изготовления неперетачиваемого инструмента. Поэтому, они также не показаны на рис. 1.1.1.

Шментотованньш карбид

1972 1Ш

Год

Рис. 1.1.1 Производство неперетачиваемого инструмента в Японии

Осаждение тонких керамических покрытий TiC, TiN, Ti (С, N), и А1203 на твердые сплавы осуществляется с помощью метода газового осаждения. Керамика, уникальная по своей износостойкости, при высокой температуре осаждается на поверхность, благодаря чему твердый сплав становится очень прочным.

Классификация инструмента по условиям резания материала, показана на рис. 1.1.2.

Прочность и износостойкость являются основными требованиями к материалу инструмента, однако улучшение одного из этих свойств может привести к ухудшению другого свойства инструмента. Необходимо найти эффективные методы улучшения обоих этих свойств материала инструмента. Сверхтвердый сплав это сплав на основе элементов групп IVa и Va периодической таблицы, полученный спеканием (обычно спекание происходит в жидкой фазе) некоторых карбидов (TiC, VC, Cr3C2, ZrC, NbC, Мо2С, ТаС, WC), а также нитридов переходных металлов группы Via. В настоящее время используются системы на основе WC-Co (сплавы для режущего инструмента могут содержать также TiC, ТаС, NbC, и т.д.), а также система TiC-Mo-Ni с использованием TiN.

В Японии первый сплав называют сверхтвердым сплавом в узком смысле, а последний во многих случаях называют металлокерамикой. Первоначально термин металлокерамика имел более широкое значение, включая систему WC-Co.

Система WC (W, Ti, Та) - С-Со (твердые растворимые двойные и тройные карбидные системы), в которой к системе WC-Co добавляется TiC и Ta(Nb) С используется при обработке быстрорежущей режущей стали (HSS). Система WC-Co (простая карбидная система) используется для обработки чугуна (2).

Также используется система ИС-Мо-М, имеющая основным компонентом Т1С. В последнее время в неё стали добавлять также ТОЧ совместно с ТаИ, Со, и W (3).

Так как металлокерамика уступает сверхтвердому сплаву по хрупкости и тепловому сопротивлению, то она не всегда подходит в качестве основы для последующего осаждения покрытий.

Сверхтвердый сплав системы \\/ОСо или системы WC - Т1, Та) С-Со используется как подложка для покрытия.

Кроме химического осаждения покрытия в Японии на практике используется также «ионное осаждение» (4), классифицируемое как физическое осаждение.

Что касается практического применения метода физического осаждения для покрытия режущего инструмента, то данная работа и другие работы автора имеют приоритет в мире (5).

В первой половине данной работы описаны результаты исследования адгезии сверхтвердого сплава и покрытия, нанесенного методом химического осаждения, влияние на неё материала сплава сверхтвердой подложки, эффект модификации её свойств (7), свойства покрытий (8), влияние качества пленки (9) и (10), метода осаждения покрытия (11), и т.д. на эксплуатационные свойства инструмента.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кензуке Уемура, 1976 год

Ссылки (1)

1) Uemura: Granular material and powder metallurgy 30, (8) and (1976), 1. ,

2) P.Schwarzkopf, R.Kieffer: Cemented Carbides, The .Macmillan Co, N.Y. ' (1960)

3) Uemura, Yamamoto, and et al: Sumitomo Electric 111 (1976), 11.

4) Uemura: Japan Institute of Metals 22,1 (1976), 8

5) Tobioka, Yamamoto, a field, Uemura, Kobayashi, Japanese Patent Publication No. 18474.

6) Suzuki, Hayashi, Uemura: A granular material and powder metallurgy, and 31, 4 (1974), 22.

7) Yamamoto, Uemura, and Azai: the Sumitomo electricity, 113 (1968), and 174.

8) Suzuki, Hayashi, Uemura: Under a granular material and powder metallurgy, and 32 (1975) contribution.

9) Suzuki, Hayashi, Uemura: Under a granular material and powder metallurgy, and 31 (1974) contribution.

10) Azai, Morioka, Uemura, Takahashi: a precision instrument, and 47,10 (1971), 45.

11) Uemura, Tobioka, Fujimori and Ikegaya: Powder object calls -- under powder metallurgy and 32 (1975) contribution.

12) Kobayashi, Uemura: Thin Solid Films 54(1968), 67.

13) Uemura, Kobayashi and Tobioka: powder object calls -- powder metallurgy, and 30, 7 (1973) and 12.

14) Hiromatsu, Uemura, Kobayashi, Takahashi: the Sumitomo Electric, 113 (1968), 191.

15) Kobayashi, Uemura, Tobioka, Yamamoto: Japanese Patent Publication No. No. 18475.

16) Kobayashi, Uemura, Tobioka andYamamoto: U.S.P., 4,401,719, U.S.P., 4,402,994,

17) Schröter: the German patent, No. 420,689, No. 434,529.

18) Moissan: The electrical Furnace, hem. Pub. Co., N.Y. (1904).

19) H.Voigtlander, H.Lohman: the German patent, No. 286,184.

i

20) G.J.Comstocks: U-S.P., 1,973,428.

21) Suzuki, Sugiyama, Umeda: the Japan Institute of Metals, 28 (1964), 55.

22) H.Suzuki, H.Kubota:P 1 anseeberichte fur Pulvermet. 14(1966),96.

23) Suzuki, Yamamoto, Kawakatsu: the Japan Institute of Metals, 31 (1967), 1368

24) H.Suzuki, T.Yamamoto: Trans.JIM, 9 (1968), 77.

25) Suzuki, Sugiyama: the Japan Institute of Metals, 29 (1965), 974.

26) H.Suzuki: Trans, JIM, 7(1966), 112..

27) H. F.Fishmeister: Science of Hard Materials, edited by R.K. Viswanadham, D.J.Rowcliff, J.Gurland, Plenum Press, N.Y. (1973)

28) Sumitomo Electric Industries: Technical data, a catalog (1971).

29) Suzuki, Hayahsi: a granular material and powder metallurgy, 29, 1 (1972), 25.

30) Yamamoto, Saito: the Sumitomo electricity, 104 (1971), 106

31) Tokumoto, Suzuki: the collection of the Showa Japan Institute of Metals spring convention outlines in the 59 fiscal year, 123.

32) Suzuki, Hayashi: the Japan Institute of Metals, 38 (1964), 1013.

33) H.Suzuki, T.Tanase, K.Hayashi:Planseeberichto fur Pulvermet. 23(1975), 121.

34) Suzuki, Tanase: the Japan Institute of Metals, 40 (1976), 726.

35) H.Suzuki, K.Hayashi: Y.Taniguchi: Planseeberichte fur Pulvermet. 25(1976), 23.

36) Suzuki, Hayashi: the Japan Institute of Metals, 41 (1976), 706.

37) Suzuki: the Japan Institute of Metals news, 18 (1969), 3.

38) Hamano: the Government Industrial Research Institute, Osaka report, No. 324,41 (1965).

39) A field, Uemura, Uemura, Yasutoshi: the Sumitomo electricity, 112 (1967), 52.

40) Uemura, Uemura, Maruyama, Yamamoto: the Sumitomo Electric, 113 (1967), 185.

41) For example, N.Clausen Japanese Patent Publication No. No. 25748.

42) For example, Sumitomo Electric Industries NS10 catalog (1972).

43) Tanaka: Japanese Patent Publication No. No. 13475.

44) Uemura: Japanese Patent Publication No. No. 51049.

45) M.Humenik, N.M.Paritch: J.Amer.Cer.Soc. 39, 2(1956), 60.

46) Suzuki, Hayashi, Matsubara: the Japan Institute of Metals news, 22(1973) 312.

47) A.Munster,W.Ruppert:Z.Electrochemie,57(1953),564.

48) W.Ruppert,G.Schwelder:USP,2,962,388.

49) Yatsu: the Sumitomo Electric, 103 (1971), 70.

50) Sakagami, Azai, Uemura, and Hirose others Sumitomo Electric 119 (1971) and 138.

51) R.F.Bunshah, R.J.Schramn: Thin Solid Films, 40(1976), 211.

52) For example, Nikkan Kogyo Shimbun: January 21, Showa 53.

«

53) Sub reflex (Soviet Union) etc.: Japanese Patent Publication No. 14690.

54) Uemura, .Kobayashi, .Mori: Proc. of the Int. Conf. on Cutting Tool Materials, American Society for Metals, (1970), 193.

55) S.Aisenberg, R.Chabot: J.Appl Physics, 42, 7(1971), 2953.

56) E.G. Spencer, P.H.Schmidt, D.C.Joy, Sansatone: Appl.Phys.letters 29.2(1976), 118.

57) C.Weissmantel:Proc.7th Int.Vac.Cong.and 3rd Int.Cont.Solid, Vienna,

(1967), 1533.

58) B.V.Spitsyn, L.L.Bouilov and B.Y.Derjangin:J.Crys.Growth, 52(1971), 219

59) A.Doi, N.Fujimori, T.Yoshioka, Y.Doi:Proc.Int.Ion Engineering, Kyoto

(1973).

60) Matsumoto, Setaka: the collection (1971) of 8th time of carbon material science society annual convention drafts, 70.

61) H.Nowotony, R.Kieffer, O.Knoteck: Berg U.Huttenm.Mh.96 (1951)6.

62) Miyoshi, a field, Yoshino: Showa 37-year (1962) powder metallurgy technical society spring convention announcement.

63) Takeda: Tohoku Univ. science report.Honda memorial number, 872 (1936).

64) J.Gurland:J.Metal, 6, 2(1954), 285.

65) Arai: metal material 13,4 (1973), 98.

66) Kinbara: the Japan Institute of Metals news, 23, 5 (1974), 374.

67) Uemura: Japan Society for the Promotion of Science the 131 st committee of a thin film the 91 st time (July, 1968), 17.

68) B.Lux et aliJ.Electrochem Soc.,123(1976),16.

69) R.Kieffer, F.Benesovsky:Hartstoffe,Springewelag(1963) .

70) A.G.King,W.M.Wheidon:Ceramics in Machining Processes, Academic Press, N.Y., (1966),279.

71) J.F.Linch et al: "Engineering Properties of Selected Ceramic Materials" American Ceramic Society, Columbus, (1966).

72) N.P.Suh: The Carbide Journal, Jun/Feb (1967), 3.

73) Otsu, Nakatani, Arimoto: the Sumitomo Electric, 106 (1972), 33.

74) R.Kieffer, D.Fister? E.Heidler: Metal, 26(1972), 128.

75) V.KSarin, J.N.Lindstrom: Proc, 6th Int.Conf on Chemical Vapor Deposition

(1967), 389.

76) K.G.Stjernberg:5th European Sym.poonP/M (1968), 365.

77) K.G.Stjernberg: Metal Science, May (1970), 189.

78) Suzuki, Hayashi: a granular material and powder metallurgy, 28 (1971), 257.

79) D.M.Mattox: Japanese Patent Publication No.8328.

80) R.F.Bunshah, A.C.Roghuram:J.Vac, Sci.Technol,;9 (1972), 1385

81) S.Komiya, K.Tsuruoka:J.Vac.Sci Technol., 13(1976), 520.

82) Murayama, Matsumoto, Kashiwagi: applied physics, 43 (1974), 687.

83) Fujmori, Uemura, Y.Shimizu:Int.Conf Metallurgical. Coatings and Process Technology, San Diego April (1972).

Ссылки (2) по воздействию напряжения на усталостную прочность при программируемых нагрузках

(1) Kawamoto, Shibata, Uemura: Material, 15, 575 (1966).

(2) Same as the above, and 581-582.

(3) Hlg; NASA TND-725 (1961).

(4) Schijve; "Full Scale Testing of Aircraft Structures", Pergamon Press 41 (1961).

5) Spitzer, Corten, Proc. ASTM, 61, 719 (1961).

(6) Naumann, Hardrath, Guthrie, NASA TND-212(1959)

(7) Fujitani, Tanaka, Seki, Igarashi, Uemura; Material, 15 and 531 (1966)

(8) Kawamoto, Shibata, Sodeyama, Mukai, Uemura; the Japan Society of Mechanical Engineers No. 147, and 81 (1966)

(9) Kawamoto, Nakagawa, Shibata, Honda; the Japan Society of Mechanical Engineers, 30, 27 (1964)

(10) The same as the above, 35 (1964)