Материал: Упрочнение режущих инструментов, используемых в кожевенно-меховом производстве с применением плазменных нанотехнологий

В Германии существует производство установок для нанесения ионно-плазменных покрытий (PVT Plasma und Vakuum Technik GmbH), которые имеют достойное место на мировом рынке с PVD технологиями нанесения покрытий под вакуумом. Дуговое испарение и магнетронный способ - самые универсальные методы осаждения в PVD для самого широкого диапазона материалов. Обе технологии используются, например, для нанесения покрытий тонкой пленки из AlTiN, TiAIN, TiCN, TiN, CrN, ZrN и т.д. Покрытия наносятся на карбид вольфрама, сталь, металлические подложки, пластмассы и керамику.

Установка PVT S2/ARC является индустриальной небольшого размера вакуумной системой для нанесения покрытия. [25]

Рисунок 1.25 - Установка PVT S2/ARC

.4 Вывод по аналитическому обзору

На основании проведенного обзора литературы можно сделать следующий вывод:

) На основании литературной проработки по методам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент показано, что нанесение износостойкого покрытия на инструментальные материалы позволяют приблизиться к созданию «идеального» материала, обладающей высокой износостойкостью в сочетании с достаточной прочностью и вязкостью. Он может удовлетворить самым высоким требованиям, предъявляемым к качеству, производительности и надежности.

) Самым универсальным и эффективным среди существующих методов упрочнения является вакуумно-плазменное нанесение твердых покрытий.

) В кожевенно-меховом производстве, в результате изнашивания, режущая кромка инструмента теряет свою первоначальную форму и, как следствие, режущую способность. Для восстановления режущей способности инструмента производится затачивание его рабочих поверхностей. В процессе затачивания инструмента с его рабочей части срезаются довольно большие слои дорогостоящего инструментального материала. Кроме того, на смену затупившегося инструмента затрачивается время, которое увеличивает продолжительность операции механической обработки, а следовательно и ее стоимость. Операция обработки резанием в кожевенно-меховом производстве используется от подготовительных операций до финишной обработки полуфабриката, поэтому, задача уменьшения интенсивности изнашивания режущих инструментов и увеличения срока его службы остается одной из задач кожевенно-мехового производства.

2. Выбор направления исследования

Один из проблем кожевенно-мехового производства - это быстрое изнашивание режущих инструментов и деталей технологического оборудования. В процессе работы режущего инструмента, основная нагрузка приходится на его рабочую поверхность, что, в конечном счете, приводит к частичному или полному износу.

Такие затраты сказываются на себестоимости продукции. Таким образом, увеличение работоспособности и ресурса работы инструментов и быстроизнашиваемых деталей приводит к снижению себестоимости продукции. Операция обработки резанием в кожевенно-меховом производстве используется от подготовительных операции до финишной обработки полуфабриката, поэтому целесообразно использовать упрочненные режущие инструменты.

Обеспечить максимизацию работоспособности режущего инструмента, значит повысить рост производительности труда, сэкономить дорогостоящий материал, энергию и трудовые ресурсы. Работоспособность режущего инструмента может быть повышена благодаря такому изменению поверхностных свойств инструментального материала, при котором контактная поверхность инструмента будет наиболее эффективно сопротивляться абразивному, адгезионному, коррозийно-окислительному и др. видам износа как в нормальных, так и в агрессивных средах. Так же инструментальный материал должен обладать достаточным запасом прочности при сжатии, изгибе, приложении ударных нагрузок. Большинство инструментальных материалов обладают лишь несколькими из указанных выше свойств, что резко снижает их область применения. Например, инструменты из быстрорежущей стали обладают относительно высокой теплостойкостью, средней твердостью, небольшими прочностью при изгибе и ударной вязкостью; керамические режущие инструменты имеют повышенную твердость, износостойкость и высокую теплопроводность, но им присущи низкая ударная вязкость и повышенная хрупкость.

На сегодняшний день существует множество технологии обработки поверхности направленное на его упрочнение, наиболее универсальным из которых является метод нанесения на поверхность инструмента покрытий из сверхтвердых соединений. Современные методы упрочнения позволяют повысить износостойкость инструмента в 2 и более раза.

В настоящее время большое внимание уделяется получению и изучению свойств наноструктурных и микрокристаллических материалов, обладающих мелкозернистой, с характерными размерами от единиц до десятков нанометров, микроструктурой, предназначенных для работы в различных областях техники. Среди существующих методов получения таких материалов особый интерес представляют тонкие микронанокристаллические покрытия, полученные в вакууме различными методами физического осаждения, а именно, магнетронным распылением и вакуумно-дуговым осаждением (метод КИБ). Метод КИБ, технологически доступен и позволяет управлять свойствами инструментальных материалов в широких пределах и достигать требуемых эксплуатационных характеристик.

С помощью метода КИБ применяя нанотехнологии наносят самые современные покрытия, например, нанокомпазиционныe, наноградиентные, наноструктурированные, покрытия с монослоями, с нанослоиями, нанокристаллические и др. покрытия, а так же покрытия с упрочняющими наночастицами.

Поэтому представляет интерес получение и изучение упрочняющих покрытий с нанофазой методом ионно-плазменной конденсации в вакууме и нанесение такого покрытия на режущие инструменты используемые в кожевенно-меховом производстве.

3. Объекты и методы исследования

3.1 Номенклатура и характеристики режущих инструментов используемые в кожевенно-меховых производствах

На современных кожевенных заводах и меховых фабриках применяются десятки типов машин и аппаратов. Только для удовлетворения потребностей кожевенной промышленности требуется до 90 типов технологического оборудования. Постоянно совершенствуется технология и продолжается технологическое перевооружение отрасли. Современные предприятия оснащаются новыми машинами и аппаратами, в которых используется последние достижения науки и техники, не только Российского производства, но и зарубежного. Из зарубежных стран в основном машины, с обработкой резанием, поставляет Турция фирма «Оздерсан», Италия «Рици». Стационарные ножи рубильных и стригальных машин изготавливает Германия, которые используется в турецких и российских машинах.

В данной работе для определения стойкости в производственных условиях покрытие наносили на дисковый нож от мездрильной машины ДМ-3М. Дисковые ножи в России изготавливает ООО «Самара ЗИМ-Инструмент» из стали 9ХФ.

В таблице 3.1 указаны режущие инструменты используемые в кожевенно-меховых производствах ОАО «Мелита», ООО «Меховщик» и ОАО «Сафьян».

Таблица 3.1 - Номенклатура и характеристики режущих инструментов используемые в кожевенно-меховых производствах.

.2 Оборудование для нанесения покрытий

Фотография оборудования для нанесения покрытий на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Вакуумная установка ионно-плазменного напыления ННВ 6,6 И1.

Установка состоит из вакуумной камеры, вакуумной системы, дуговых испарителей, системы натекания газа, системы вращения изделий, электрических источников питания дуги, опорного напряжения, напряжения очистки, системы измерения вакуума, системы охлаждения и подогрева камеры, системы автоматики и блокировок, системы измерения токов, напряжений и контроля температуры. Вакуумная камера предназначена для крепления основных узлов установки и размещения в ней изделий. Она герметична, имеет герметичную дверцу, герметические электроизолированные вводы вращения, фланцы для присоединения вакуумной системы, дуговых испарителей, приборов контроля вакуума и температуры. Имеет смотровые окна, рубашку водяного обогрева и охлаждения. Вакуумная система состоит из форвакуумного золотникового или роторно-пластинчатого насоса. Насосы обеспечивают достижение среднего вакуума 10-2- 10-3 мм. рт. ст. По обходной байпасной магистрали через вакуумные вентили насосы связаны с вакуумной камерой и паромасляным диффузионным насосом высокого вакуума. Высоковакуумный затвор имеет выход в камеру установки.

Установка имеет один или несколько дуговых испарителей, предназначенных для создания и подачи в камеру (на изделие) потока металлической плазмы. Испарители имеют герметический водоохлаждаемый корпус, в глухом конце которого расположен изолированный от корпуса и водоохлаждаемый катод. У катода имеется система инициирования дуги. Имеется система ее стабилизации в виде катушки соленоида, намотанной поверх корпуса испарителя. Далее по потоку плазмы расположена фокусирующая катушка. Анодом служит корпус дугового испарителя.

Система вращения изделий состоит из планетарного механизма вращения с гнездами или подвесками. Вращатель расположен в камере, электрически изолирован от камеры и имеет вакуумный ввод вращения. Планетарная система вращения способствует более равномерному покрытию изделий защитным покрытием.

Электрические источники питания дуги, опорного напряжения, напряжения очистки оформлены отдельными блоками, имеют специальные нагрузочные характеристики и общую мощность 20-50 кВт. Кроме того, установки имеют источники поджига дуги, питания стабилизирующих и фокусирующих катушек и другие источники. Источник питания дуги имеет постоянное напряжение холостого хода 80-100 В, рабочее напряжение 25-40 В при рабочем токе 50-200 а. Источник имеет крутопадающую нагрузочную характеристику.

Источник опорного напряжения имеет жесткую нагрузочную характеристику. Дает регулируемое напряжение постоянного тока от 0 до 300 В при токе до 10 А. Снабжен электронным устройством защиты от короткого замыкания, как защита от микродуговых разрядов на изделии. Источник питания ионной очистки дает постоянное регулируемое напряжение от 100 до 2000 В при токе до 20 А, имеет жесткую нагрузочную характеристику, снабжен системой защиты от коротких замыканий и прерывания микродуговых разрядов.

Система измерения вакуума состоит обычно из термопарного для низкого вакуума и ионизированного для высокого вакуума приборов. Термопарная часть вакуумера измеряет вакуум до 10-2 мм. рт. ст. и не боится напуска системы воздухом. Низкий вакуум обычно измеряется на входе вакуумной магистрали. Ионизационная часть вакуумметра измеряет вакуум от 10-2 до 10-7 мм. рт. ст. Высокий вакуум измеряется в камере установки и измерительная система связана с блокировками по вакууму.

Система охлаждения и прогрева камеры предназначены для отвода тепла при работе установки в режиме конденсации покрытия и прогрева камеры перед её открыванием для исключения конденсации на стенках камеры влаги. Система состоит из трубопроводов, электроклапанов, реле протока и подогрева воды.

Система контроля температуры изделий включает смотровое окно со шторкой, разделяющее вакуум камеры и окружающую среду.

Система автоматики и блокировок предназначена для исключения неправильных действий персонала при работе на установке. Блокировки предотвращают образование аварийной ситуации, соблюдение условий техники безопасности, отключение установок в аварийных ситуациях. Так, например, блокировки не позволяют оператору открыть высоковакуумный затвор при наличии в камере атмосферного давления, или подать на изделие высокое напряжение при открытой дверце вакуумной камеры.

Установка снабжена контроль- измерительными приборами, по показаниям которых судят о режиме ее работы. Контролируется ток дуги, ток фокусировки и стабилизации, опорное напряжение. Некоторые установки снабжаются блоками автоматического набора вакуума, управления дугой, очисткой и т.д. Последние модели снабжены микропроцессорной техникой, позволяющей полностью по заданной программе производить нанесение покрытий.

.3 Методика нанесения покрытий на инструменты

Покрытия на инструмент наносятся методом конденсации из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки (метод КИБ) на вакуумной установке ионно-плазменного напыления ННВ 6,6 И1.

Важной особенностью метода КИБ является образование интенсивных ионизированных потоков испаряемого дугой металла. В процессе осаждения поверхность растущего покрытия подвергается интенсивной ионной бомбардировке. В результате происходит повышение температуры поверхности и соответственно активация плазмо-химических реакций металла с азотом в зоне формирования покрытия.

Метод конденсации покрытий из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки основан на взаимодействии в плазменном состоянии (плазмохимические реакции) металлической плазмы элементов III, IV группы и некоторых других элементов таблицы Менделеева с плазмой химических элементов IV,V групп.

Покрытия КИБ получают следующим образом. В вакууме (10-3 мм.рт.ст.) горит на катоде вакуумная дуга. Катод изготовлен из металла III, IV группы, например, титана. В катодных пятнах дугового разряда достигается температура 104 К. Катод имитирует электроны, металл катода при этом испаряется и частично ионизируется в электрополе дугового источника. Поток электронов течет в сторону анода (корпуса), а ионы испарившегося материала- катода бомбардируют катод.