تُحسّن طلاءات أدوات القطع خصائص الاحتكاك والتآكل فيها، ما يجعلها أساسية في عمليات القطع. لسنوات عديدة، دأب مُزوّدو تقنيات معالجة الأسطح على تطوير حلول طلاء مُخصصة لتحسين مقاومة تآكل أدوات القطع، وكفاءة التشغيل، وعمر الخدمة. ويكمن التحدي الفريد في الاهتمام بأربعة عناصر وتحسينها: (أ) معالجة أسطح أدوات القطع قبل وبعد الطلاء؛ (ب) مواد الطلاء؛ (ج) هياكل الطلاء؛ و(د) تقنية المعالجة المتكاملة لأدوات القطع المطلية.
مصادر تآكل أدوات القطع
أثناء عملية القطع، تحدث بعض آليات التآكل في منطقة التلامس بين أداة القطع ومادة قطعة الشغل. على سبيل المثال، التآكل الملتصق بين الرقاقة وسطح القطع، والتآكل الكاشط للأداة بسبب النقاط الصلبة في مادة قطعة الشغل، والتآكل الناتج عن التفاعلات الكيميائية الاحتكاكية (التفاعلات الكيميائية للمادة الناتجة عن العمل الميكانيكي ودرجات الحرارة المرتفعة). ولأن هذه الضغوط الاحتكاكية تقلل من قوة القطع لأداة القطع وتقصر عمرها الافتراضي، فإنها تؤثر بشكل رئيسي على كفاءة تشغيلها.
يُقلل طلاء السطح من تأثير الاحتكاك، بينما تدعم مادة قاعدة أداة القطع الطلاء وتمتص الضغط الميكانيكي. يُسهم تحسين أداء نظام الاحتكاك في توفير المواد وتقليل استهلاك الطاقة، بالإضافة إلى زيادة الإنتاجية.
دور الطلاء في خفض تكاليف المعالجة
يُعدّ عمر أداة القطع عامل تكلفة مهم في دورة الإنتاج. ويُعرّف، من بين أمور أخرى، بأنه مدة تشغيل الآلة دون انقطاع قبل الحاجة إلى الصيانة. كلما طال عمر أداة القطع، انخفضت تكاليف انقطاع الإنتاج، وقلّت أعمال الصيانة التي تحتاجها الآلة.
حتى في درجات حرارة القطع العالية جدًا، يُمكن إطالة عمر أداة القطع باستخدام الطلاء، مما يُقلل تكاليف التشغيل بشكل كبير. كما يُقلل طلاء أداة القطع من الحاجة إلى سوائل التشحيم، مما يُقلل من تكاليف المواد، ويُساعد أيضًا في حماية البيئة.
تأثير المعالجة قبل وبعد الطلاء على الإنتاجية
في عمليات القطع الحديثة، تحتاج أدوات القطع إلى تحمل ضغوط عالية (>2 جيجا باسكال)، ودرجات حرارة عالية، ودورات إجهاد حراري مستمرة. قبل وبعد طلاء أداة القطع، يجب معالجتها بالطريقة المناسبة.
قبل طلاء أداة القطع، يمكن استخدام طرق معالجة مسبقة متنوعة للتحضير لعملية الطلاء اللاحقة، مما يُحسّن التصاق الطلاء بشكل ملحوظ. وبالتزامن مع الطلاء، يُحسّن تحضير حافة القطع سرعة القطع ومعدل التغذية، ويُطيل عمر أداة القطع.
تلعب عملية المعالجة اللاحقة للطلاء (تحضير الحافة ومعالجة السطح والهيكلة) أيضًا دورًا حاسمًا في تحسين أداة القطع، وخاصة لمنع التآكل المبكر المحتمل بسبب تكوين الرقائق (التصاق مادة قطعة العمل بالحافة القاطعة للأداة).
اعتبارات الطلاء والاختيار
تختلف متطلبات أداء الطلاء اختلافًا كبيرًا. ففي ظروف التشغيل الآلي حيث تكون درجة حرارة حافة القطع مرتفعة، تكتسب خصائص مقاومة التآكل للحرارة أهمية بالغة. ومن المتوقع أن تتميز الطلاءات الحديثة أيضًا بالخصائص التالية: أداء ممتاز في درجات الحرارة العالية، ومقاومة للأكسدة، وصلابة عالية (حتى في درجات الحرارة العالية)، ومتانة مجهرية (لدونة) بفضل تصميم طبقات نانوية.
لضمان كفاءة أدوات القطع، يُعدّ تحسين التصاق الطلاء وتوزيع الإجهادات المتبقية بشكل معقول عاملين حاسمين. أولًا، يجب مراعاة التفاعل بين مادة الركيزة ومادة الطلاء. ثانيًا، يجب تقليل التقارب قدر الإمكان بين مادة الطلاء والمادة المراد معالجتها. يمكن تقليل احتمالية التصاق الطلاء بقطعة العمل بشكل كبير باستخدام هندسة أداة مناسبة وتلميع الطلاء.
تُستخدم الطلاءات القائمة على الألومنيوم (مثل AlTiN) بشكل شائع كطلاءات لأدوات القطع في صناعة القطع. تحت تأثير درجات حرارة القطع العالية، تُشكّل هذه الطلاءات القائمة على الألومنيوم طبقة رقيقة وكثيفة من أكسيد الألومنيوم، تتجدد باستمرار أثناء التشغيل، مما يحمي الطلاء ومادة الركيزة التي تحته من التأثيرات المؤكسدة.
يمكن تعديل صلابة الطلاء ومقاومته للأكسدة بتغيير محتوى الألومنيوم وبنيته. على سبيل المثال، بزيادة محتوى الألومنيوم، أو باستخدام هياكل نانوية أو السبائك الدقيقة (أي السبائك ذات العناصر منخفضة المحتوى)، يمكن تحسين مقاومة الطلاء للأكسدة.
بالإضافة إلى التركيب الكيميائي لمادة الطلاء، يمكن أن تؤثر التغيرات في بنية الطلاء بشكل كبير على أدائه. ويعتمد اختلاف أداء أداة القطع على توزيع العناصر المختلفة في البنية الدقيقة للطلاء.
في الوقت الحاضر، يُمكن دمج عدة طبقات طلاء مفردة ذات تركيبات كيميائية مختلفة في طبقة طلاء مُركّبة واحدة للحصول على الأداء المطلوب. وسيستمر هذا التوجه في التطور مستقبلًا، لا سيما من خلال أنظمة وعمليات طلاء جديدة، مثل تقنية الطلاء الهجين بالتبخير والرش القوسي HI3 (التأين الثلاثي العالي)، التي تجمع ثلاث عمليات طلاء عالية التأين في عملية واحدة.
كطلاء شامل، توفر الطلاءات القائمة على التيتانيوم والسيليكون (TiSi) قابلية تشغيل ممتازة. يمكن استخدام هذه الطلاءات لمعالجة الفولاذ عالي الصلابة بمحتويات كربيد مختلفة (تصل صلابة اللب إلى HRC 65) والفولاذ متوسط الصلابة (تصل صلابة اللب إلى HRC 40). يمكن تعديل تصميم هيكل الطلاء وفقًا لتطبيقات التشغيل المختلفة. ونتيجة لذلك، يمكن استخدام أدوات القطع المطلية القائمة على التيتانيوم والسيليكون لقطع ومعالجة مجموعة واسعة من مواد قطع العمل، بدءًا من الفولاذ عالي السبائك ومنخفض السبائك، وصولًا إلى الفولاذ المقسى وسبائك التيتانيوم. أظهرت اختبارات القطع عالية التشطيب على قطع العمل المسطحة (صلابة HRC 44) أن أدوات القطع المطلية يمكن أن تزيد عمرها الافتراضي بمقدار الضعف تقريبًا، وتقلل خشونة السطح بحوالي 10 مرات.
يُقلل الطلاء المصنوع من التيتانيوم والسيليكون من تلميع السطح لاحقًا. ومن المتوقع استخدام هذه الطلاءات في عمليات المعالجة التي تتطلب سرعات قطع عالية، ودرجات حرارة حواف عالية، ومعدلات إزالة عالية للمعادن.
بالنسبة لبعض طلاءات PVD الأخرى (وخاصةً الطلاءات الدقيقة)، تتعاون شركات الطلاء بشكل وثيق مع المُصنِّعين للبحث والتطوير في حلول مُحسَّنة لمعالجة الأسطح. لذلك، يُمكن تحقيق تحسينات كبيرة في كفاءة التشغيل، واستخدام أدوات القطع، وجودة التشغيل، والتفاعل بين المادة والطلاء والتشغيل، وهي تحسينات قابلة للتطبيق عمليًا. من خلال التعاون مع شريك طلاء محترف، يُمكن للمستخدمين زيادة كفاءة استخدام أدواتهم طوال دورة حياتها.
وقت النشر: ٧ نوفمبر ٢٠٢٢