Многие знают, что для повышения его эксплуатационных характеристик на рабочие поверхности металлорежущих инструментов (свёрла, метчики, токарные пластины и пр.) наносят специальные износостойкие покрытия. Они — своего рода "броня" для инструмента, которая защищает его в тяжёлых производственных условиях. Но из всего изобилия большинству мастеров известен разве что нитрид титана: то самое “золотое” напыление на ваших свёрлах по металлу.
В этой статье мы подробно разберём основные виды покрытий для металлорежущего инструмента, узнаем, как и зачем они наносятся, чем отличаются по составу и назначению. Кроме того, поговорим о том, для каких задач и материалов выбирают те или иные покрытия - от самых популярных решений до менее распространённых, но не менее интересных!
Для чего нужно покрытие?
Покрытие на металлорежущем инструменте представляет собой сверхтонкий слой материала, нанесённый на поверхность режущих кромок или рабочих частей инструмента. Их толщина обычно измеряется в микронах, но несмотря на такую тонкость, покрытие значительно изменяет физико-механические свойства инструмента.
На инструменте покрытие выглядит как гладкая, блестящая или матовая поверхность различных оттенков (например, золотистый, чёрный, серебристый). Цвет зависит от типа используемого материала.
Основная цель нанесения — улучшение эксплуатационных характеристик режущего инструмента. Среди преимуществ можно выделить следующие:
- Повышение износостойкости. Покрытие уменьшает трение между инструментом и обрабатываемым материалом, за счёт чего режущая кромка дольше сохраняет свою форму, а срок службы инструмента увеличивается.
- Улучшение термостойкости. Во время работы режущий инструмент подвергается интенсивному нагреву, особенно при обработке твёрдых или вязких материалов. Покрытия защищают инструмент от разрушения под воздействием высоких температур.
- Снижение коэффициента трения. Покрытия уменьшают адгезию (прилипание) обработанного материала к инструменту, снижая риск залипания режущей стружки. Это особенно важно при работе с мягкими и вязкими материалами, такими как алюминий или медь.
- Устойчивость к коррозии и окислению. Некоторые покрытия защищают инструмент от воздействия агрессивной среды, увеличивая его долговечность.
- Оптимизация обработки материалов различных типов. Современные покрытия позволяют адаптировать изделия под работу с конкретными материалами, такими как сталь, алюминиевые сплавы, титан, композиты и т.д.
В современной металлообработке использование покрытий стало неотъемлемой частью процессов, направленных на повышение производительности, улучшение качества обработки и снижение себестоимости инструментов.
Как наносят покрытия на металлообрабатывающий инструмент?
От технологии нанесения покрытия зависит его структура, прочность сцепления с основным материалом, а также эксплуатационные свойства инструмента. Рассмотрим три наиболее распространённых метода нанесения покрытий:
1. Парооксидирование
Парооксидирование заключается в обработке рабочей поверхности инструмента горячим паром. Во время этого процесса происходит превращение верхнего слоя металла в связанный с кислородом слой оксида. Процесс проводится в специальной термокамере при температуре от 350 до 600°C. В результате на поверхности инструмента образуется тонкий слой оксидной плёнки.
Полученное покрытие обладает следующими свойствами:
- Устойчивость к окислению и коррозии.
- Улучшение трения: стружка от обрабатываемого материала меньше прилипает к инструменту.
- Усиление термостойкости.
Покрытие имеет характерный равномерный чёрный цвет, что делает инструмент легко узнаваемым. Этот метод наименее затратен и чаще используется для базовой обработки инструментов. Особенно эффективно парооксидирование при работе с углеродистыми сталями.
Преимущества:
- Простота и низкая стоимость процесса.
- Устойчивость к коррозии и улучшенные свойства трения.
Недостатки:
Оксидный слой достаточно тонкий и менее прочный по сравнению с покрытиями, полученными методами, рассмотренными ниже.
2. PVD — физическое осаждение из паровой фазы
PVD (Physical Vapor Deposition) — это высокотехнологичный способ нанесения покрытий, при котором твёрдые материалы (например, титан или алюминий) испаряются в вакууме, создавая паровую фазу. Испарённый материал конденсируется на поверхности инструмента и равномерно осаждается в виде слоя покрытия. Процесс проходит при температурах около 500°C, что позволяет применять его для инструментов из более хрупких или термочувствительных материалов.
Покрытия, нанесённые методом PVD, отличаются высокой прочностью, адгезией и термостойкостью. Они защищают инструмент от износа, перегрева и налипания стружки. Наиболее распространённые материалы для нанесения покрытий — нитрид титана (TiN), алюмотитановое покрытие (AlTiN) и их комбинации.
Преимущества:
- Высокая твёрдость и износостойкость покрытий.
- Возможность нанесения ультратонких слоёв (2–6 мкм), что сохраняет максимальную остроту режущей кромки.
- Высокая адгезия покрытия к базовому материалу.
- Низкие температуры обработки позволяют использовать процесс для любых металлов.
Этот метод особенно хорош для инструментов, предназначенных для работы с высокопрочными сталями, жаропрочными сплавами, алюминием и другими сложными материалами.
3. CVD — химическое осаждение из паровой фазы
CVD (Chemical Vapor Deposition) — метод, при котором покрытие создаётся благодаря поступлению газообразных реагентов в реакционную камеру, где они вступают в химическую реакцию на поверхности инструмента. За счёт реакции создаётся тонкий слой покрывающего материала, который равномерно осаждается на инструменте. Обычная температура процесса — около 900–1100 °C, что требует устойчивости базового материала к таким условиям.
CVD позволяет получать слои высокой толщины (до 20 мкм), что особенно полезно для инструментов, испытывающих интенсивный износ. Часто в качестве покрытия применяют карбид титана (TiC), карбонитрид титана (TiCN) или слои оксида алюминия (Al2O3). Такие покрытия обеспечивают высокую твёрдость, химическую стойкость и термостойкость.
Преимущества:
- Высокая прочность и толщина покрытия.
- Отличная устойчивость к механическому износу и химическому воздействию.
- Возможность создать “слоёный пирог” из нескольких покрытий.
Покрытия подходят для обработки высокопрочных сталей, чугуна и сплавов с высокой жёсткостью. Однако сложность процесса и необходимость работать при высоких температурах делают CVD более дорогим методом, чем PVD.
Основные типы покрытий, занимающие до 60% рынка
Большую часть рынка металлорежущих инструментов занимают три основных типа покрытий: нитрид титана (TiN), карбонитрид титана (TiCN) и алюмонитрид титана (TiAlN).
Эти покрытия являются стандартом благодаря их уникальным свойствам, которые улучшают износостойкость, термостойкость, а также снижают трение и увеличивают срок службы инструментов. Ниже рассмотрим каждое покрытие, его свойства, преимущества и недостатки.
1. TiN — Нитрид титана
Цвет покрытия: Золотистый, что делает покрытые инструменты легко узнаваемыми.
Назначение: Нитрид титана — одно из самых популярных покрытий для металлорежущих инструментов благодаря своей универсальности и низкой стоимости. Основное предназначение покрытия TiN — обеспечение износостойкости и снижение трения между инструментом и обрабатываемым материалом. TiN подходит для работы с низко- и среднекрепкими материалами, такими как сталь, чугун, алюминиевые сплавы.
Плюсы покрытия TiN:
- Устойчивость к износу и увеличенный срок службы инструмента.
- Низкий коэффициент трения, что предотвращает налипание стружки.
- Термостойкость до 600–800 °C, что позволяет применять инструмент при умеренных скоростях и нагрузках.
- Экономичность: недорогой процесс нанесения.
Минусы покрытия TiN:
- Ограниченная термостойкость (сравнительно с TiAIN и TiCN), что делает его менее подходящим для высокоскоростной обработки.
- Менее эффективен при обработке высокопрочных сплавов и материалов с высокой твердостью.
Вывод: TiN идеально подходит для универсальных инструментов и используется в условиях, где нет экстремально высоких нагрузок.
2. TiCN — Карбонитрид титана
Цвет покрытия: Коричневато-чёрный или серо-металлический.
Назначение: TiCN является усовершенствованной версией покрытия TiN за счёт включения углерода в состав. Это увеличивает твёрдость покрытия и его износостойкость. Рекомендуется для более сложных задач, таких как обработка сплавов стали с высокой прочностью, пластмасс, латуни и бронзы.
Плюсы покрытия TiCN:
- Более высокая твёрдость по сравнению с TiN, обеспечивающая лучшую износостойкость.
- Пониженный коэффициент трения, что снижает тепловыделение и риск залипания стружки.
- Улучшенные характеристики при работе с вязкими материалами, такими как алюминиевые сплавы и полимеры.
Минусы покрытия TiCN:
- Максимальная температура использования ограничена 400–450 °C, что делает покрытие менее пригодным для высокоскоростной резки.
- Более высокая стоимость по сравнению с TiN.
Вывод: TiCN — оптимальное покрытие для задач, где требуется повышенная износостойкость и работа с мягкими или вязкими материалами.
3. TiAlN — Алюмонитрид титана
Цвет покрытия: Тёмно-фиолетовый или чёрный с металлическим блеском.
Назначение: TiAlN считается одним из самых термостойких покрытий благодаря наличию алюминия в составе. Алюминий, взаимодействуя с кислородом при высоких температурах, образует термостойкий слой оксида алюминия (Al2O3), который защищает подложку от перегрева и ускоренного износа. Покрытие TiAlN идеально подходит для высокоскоростной обработки материалов с высокой твердостью, например, нержавеющей стали, сплавов титана и жаропрочных сталей.
Плюсы покрытия TiAlN:
- Высокая термостойкость до 800–900 °C: покрытие сохраняет свои свойства даже при работе с высокими скоростями резания.
- Отличная стойкость к окислению, что делает покрытие идеальным для "сухой" обработки без СОЖ.
- Повышенная твёрдость и долговечность.
Минусы покрытия TiAlN:
- Более высокий коэффициент трения по сравнению с TiCN, что может ограничить применение для вязких материалов.
- Сложность нанесения покрытия, что увеличивает его стоимость.
Вывод: TiAlN — это выбор для обработки сложных материалов и задач, где требуется максимальная термостойкость и производительность, например, в авиационной и автомобильной промышленности.
Подытожим:
TiN чаще всего используется для базовых задач благодаря своей универсальности и низкой стоимости.
TiCN подходит для более требовательных условий, где важна высокая твёрдость и низкое трение, например, для вязких материалов.
TiAlN является лучшим выбором для высокоскоростной обработки и обработки твёрдых материалов, особенно при экстремальных температурах.
Другие типы покрытий, используемые в металлорежущем инструменте
Помимо трёх наиболее распространённых (TiN, TiCN, TiAlN), существуют и другие виды покрытий, которые применяются реже, но обладают уникальными характеристиками. Они разрабатываются для специфичных задач и условий обработки, таких как работа с высокотвёрдыми и вязкими материалами, высокая устойчивость к окислению, низкий коэффициент трения и высокая термостойкость. Большинство операторов станков с ними никогда и не столкнётся, но для общего развития знать о них будет полезно:
1. AlTiN — Комплексный нитрид титана алюминия
Отличие от TiAlN заключается в более высоком содержании алюминия в покрытии. Это добавляет дополнительную прочность и термостойкость благодаря большему слою Al2O3, образующемуся при высоких температурах.
AlTiN используется для обработки материалов с высокой твёрдостью, таких как никелевые и титановые сплавы, а также для работы в условиях высоких температур. Это покрытие подходит для сухой резки и высокоскоростной обработки благодаря его устойчивости к термическому разрушению.
Плюсы:
- Высокая термостойкость (до 1000 °C).
- Отличная устойчивость к износу и абразивному воздействию.
- Подходит для сухой обработки без использования СОЖ.
- Долгий срок службы при работе с твёрдыми и абразивными материалами.
Минусы:
- Высокая стоимость нанесения.
- Может быть избыточным для обработки мягких материалов.
2. μAlTiN — Микроструктурный алюмонитрид титана
Отличия от AlTiN: μAlTiN имеет улучшенную микроструктуру покрытия (более гладкое), что обеспечивает большую термическую стабильность и более высокий срок службы в условиях экстремально высоких температур.
Используется в тех же областях, что и AlTiN, но обладает более высокой надёжностью и долговечностью при экстремальных нагрузках. Это покрытие чаще используется для инструментов высокой производительности.
Плюсы и минусы:
Преимущества и недостатки аналогичны AlTiN, однако стоимость ещё выше за счёт сложной технологии нанесения.
3. VAP-покрытие — Парооксидирование
VAP-покрытие (Vapor Phase Oxidation Process) наносится путём нагрева инструмента при развитии оксидной плёнки на его поверхности. Оно применяется для снижения трения и предотвращения налипания стружки, особенно при работе с вязкими и мягкими материалами, такими как алюминий или низкоуглеродистая сталь.
Плюсы:
- Устойчивость к коррозии.
- Гладкая поверхность, противодействующая адгезии.
- Низкая стоимость нанесения.
Минусы:
- Ограниченная термическая устойчивость.
- Более короткий срок службы по сравнению с покрытиями TiN, TiCN или TiAlN.
4. TiCN-MP — Высокопроизводительный карбонитрид титана
Отличие от TiCN заключается в увеличенной твёрдости покрытия и его более высокой производительности за счёт добавления углерода в микроструктуру TiCN. Это улучшенное покрытие обеспечивает значительно меньший коэффициент трения и более высокую износостойкость.
Используется для высокоскоростной обработки материалов, таких как сталь средней твёрдости, алюминиевые сплавы, латунь и пластмассы.
Плюсы:
- Повышенная износостойкость по сравнению с TiCN.
- Ещё более низкий коэффициент трения.
- Лучшая производительность.
Минусы:
- Более высокая стоимость.
- Ограниченная температурная устойчивость (до 450°C).
5. ZrN — Нитрид циркония
ZrN используется при обработке мягких и вязких материалов, таких как алюминий, латунь, бронза и пластики. Оно предотвращает налипание стружки и обеспечивает гладкость резания.
Плюсы:
- Низкий коэффициент трения, предотвращает налипание.
- Устойчивость к коррозии.
Минусы:
- Менее термостойкое, чем покрытия на основе титана.
- Не подходит для высокоскоростной обработки.
6. ZrAlN — Комплексный нитрид циркония алюминия
ZrAlN используется для обработки сплавов алюминия и других мягких материалов при более высоких скоростях. Добавление алюминия увеличивает термостойкость покрытия.
Плюсы:
- Лучшая стойкость к износу и трению по сравнению с ZrN.
- Возможность работы при более высоких температурах.
Минусы:
- Сложное нанесение и высокая стоимость.
- Ограниченная область применения.
7. ZrCN — Карбонитрид циркония
Используется для работы с абразивными материалами или материалами с высокой вязкостью. Это покрытие имеет улучшенные характеристики по сравнению с ZrN.
Плюсы:
- Высокая стойкость к коррозии.
- Долговечность.
Минусы:
- Сравнительно дорогое покрытие.
- Менее универсально, чем покрытия на основе титана.
8. TiCrN — Хром нитрид титана
Основное назначение - повышение износостойкости инструмента и снижение трения. Благодаря химической стойкости и гладкости поверхности, TiCrN эффективно предотвращает налипание обрабатываемых материалов (например, алюминия, меди, титана).
Плюсы:
- Устойчивость к коррозии и окислению.
- Широкий температурный диапазон применения.
- Термостойкость.
- Снижение налипания материала.
- Универсальность.
Минусы:
- Ограниченная работа с твёрдыми сплавами (более 50 HRC).
- Повышенный износ при обработке высокоабразивных материалов.
P.S. Каким покрытием обрабатывать алюминий?
Многие считают алюминий одним из самых простых в обработке материалов, но это не так. Алюминий трудно обрабатывать, поскольку он мягкий и пластичный. Две основные проблемы при обработке алюминия — это образование стружки и её отведение. Прилипание к режущей кромке одна из главных проблем при обработке алюминиевых сплавов. И использование сверла или пластины с “неправильным” покрытием может лишь усугубить проблему. Многие советуют просто не брать инструмент с покрытием, и при сверлении, например, использовать стандартное сверло из HSS. И это верно, но лишь отчасти.
Не рекомендуют покрытия ИМЕННО НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, поскольку к нему алюминиевая стружка липнет лучше. Распространённые покрытия, такие как TiAlN или AlTiN, при контакте с алюминием под воздействием тепла и давления легко вступают в реакцию с деталью.
Вывод. Обычно покрытия не наносятся на инструменты для обработки алюминия, поскольку большинство из них в той или иной форме его содержат. Но если хотите дополнительно повысить качество сверления этого металла в “домашних” условиях за счёт более эффективного теплоотведения - можете приобрести быстрорежущее сверло с кобальтом, которое маркируется как HSS-Co.
Статья понравилась или оказалась полезной? Будем рады, если вы поставите ей лайк и подпишетесь на канал. Ведь новые интересные материалы у нас выходят КАЖДУЮ неделю!
Реклама. ООО "СПРАУТ" ИНН: 7816654160
