Физические свойства вакуумно-плазменных покрытий для режущего инструмента

Из рис.13 видно, что период решетки максимален и равен 4.325 Е, когда реактивный газ содержит только углеводородную смесь, и минимальный период – 4.261 Е, когда реактивный газ содержит только азот [2].

На рис.14 приведена зависимость микротвердости покрытия TiCN от концентрации азота в газовой смеси, напускаемого в рабочую камеру при конденсации. Здесь же приведены результаты измерения коэффициента трения покрытия в паре со сталью 45 в среде СО (нагрузка 750 Н, время испытаний 1 час) [2]. Из рисунка видно, что повышение твердости покрытия соответствует увеличению коэффициента трения, что свидетельствует о большем вкладе в коэффициент трения его механической составляющей.

На примере износостойких покрытий на основе карбонитрида титана, легированного цирконием, алюминием и кремнием, можно показать, как влияет изменение состава углеродосодержащей газовой смеси, применяемой в процессе их нанесения , на структурные параметры покрытий ( период а кристаллической решетки; ширину β_III рентгеновских линий; текстуру J₁₁₁/J₂₀₀; остаточные макронапряжения σ_о ) и на микротвердость Н_м , а следовательно, и на ружущую способность инструмента.

На основе результатов структурных исследований установлено, что изменение состава углеродсодержащей газовой смеси (повышение в ней содержания А ацетилена С₂Н₂) приводит к увеличению периуда а, ширины β_III и существенно сказывается на текстуре покрытия. Увеличение ширины β_III свидетельствует о повышении уровня микродеформации кристаллической решетки, что характеризуется изменением микронапряжений σ_о и микротвердости Н_м покрытий (Табл.4) [7].

Таблица 4

Структурные параметры и микротвердость Н_м покрытия TiCN.

А, %	0	15	25	35	50	60	70	80
а, нм	0.4276	0.4280	0.4286	0.4296	0.4303	0.4311	0.4319	0.4328
βIII, градус	0.5	0.5	0.64	0.78	1.55	1.70	1.85	2.0
J111/J200	100	43	35	16	0.9	0.8	0.8	0.7
σо, ГПа	-3.0	-3.25	-3.51	-3.9	-1.5	-0.9	-1.05	-1.2
Нм, ГПа	31	38	44.5	48	45	28	28.5	31

В работе [7] исследуется влияние состава покрытия и газовой смеси на режущие свойства пластин. Это влияние оценивалось по интенсивности износа I, определяемой соотношением:

h

I = —— (2)

L

В (2) величина h – износ по задней поверхности после 10 мин. работы резца, мм; L – путь резания, соответствующий данному износу. Результаты исследований приведены на рис.15.

На практике часто используются двухслойные структуры, состоящие из промежуточного слоя карбидов, нитридов, карбонитридов металлов IV-VI групп, AlN и SiO₂ (для керамических инструментов) и поверхностного слоя Al₂O₃, обеспечивающего достаточную защиту от коррозии. Толщина подслоя в них изменяется в пределах от 0.1 до 10 мкм, а наружного слоя – от 1 до 10 мкм. Такие двухслойные покрытия, как правило, наносятся на нитридокремневые керамические покрытия; кроме того, они обеспечивают превосходную износостойкость и ударную вязкость твердых сплавов. В частности, представляет интерес двухслойное износостойкое покрытие на керамическом инструменте (основа – Si₃N₄). Оно состоит из внутреннего слоя толщиной 0.5-20 мкм, представляющего собой смесь Al₂O₃ с AlN, и внешнего слоя Al₂O₃ толщиной 1-10 мкм. Такое покрытие может также наносится на Al₂O₃ , карбиды и нитриды кремния [11].

Al₂O₃ в качестве внешнего слоя снижает усилия резания и благодаря устойчивости при высоких температурах обеспечивает наилучшую стойкость инструмента при обработке стали и чугуна с большими скоростями. Из-за низкой теплопроводности Al₂O₃ его применяют в качестве промежуточного слоя. Слой Al₂O₃ толщиной 0.2-0.3 мкм наносят также для образования диффузионного барьера перед осаждением TiN и TiC, что благоприятно влияет на стойкость инструмента [3].

В многослойных покрытиях используют TiC (нижний слой) (так как данное соединение обеспечивает высокую адгезию с материалом инструмента), TiN (верхний слой) ( обладающее меньшей адгезией и менее хрупкое, чем TiC) и переходное состояние Ti(C,N) – в качестве промежуточного слоя. Покрытия на основе титана повышают стойкость твердосплавных режущих пластин в 4-6 раз, на 50-100% увеличивают скорость резания [3].

При резании со значительными скоростями и ударными нагрузками эффективно многослойное покрытие WC/TiC + TiC + Ti(C,N).

При высоких скоростях резания с большей тепловой нагрузкой эффективно покрытие TiC + TiB₂.

Как правило, толщина покрытий на твердосплавном инструменте составляет 4- 10 мкм (иногда до 15 мкм), а дальних слоев (в зависимости от их количества) – от 1 до 3-4 мкм. Большая толщина в связи с хрупкостью соединения может снизить суммарную вязкость материала.

Существенно повысить стабильность кристаллохимических свойств материала можно путем применения покрытий на основе системы (Ti,Cr)N, которая обладает высокой сопротивляемостью к окислению и сохраняет свои характеристики при более высоких температурах, чем покрытия из TiC т TiN. Такая стабилизация свойств обусловлена большей прочностью связи атомов в кристаллической решетке, которая формируется в процессе замещения атомов азота атомами хрома, имеющими меньший размер.

Особый интерес вызывает композиционное покрытие двойного нитрида (Ti,Al)N. Это покрытие обладает такой же кубической структурой, как и TiN, но имеет меньший период решетки, что отражается на его твердости (в 0.6 раза больше, чем у TiN). Покрытие (Ti,Al)N стабильно при температуре 710-830 ^оС, в то время, как покрытие TiN начинает окислятся при 550 ^оС. Объясняется это тем, что на поверхности (Ti,Al)N формируется защитный аморфный слой Al₂O₃ предотвращающий дальнейшее окисление. Следовательно долговечность инструмента с покрытием из (Ti,Al)N значительно превосходит долговечность инструмента с нитридотитановым слоем. Например, стойкость сверла из быстрорежущей стали с покрытием из (Ti,Al)N при сверлении отверстия в чугуне и сплаве Al-Si соответственно в 12.3 раза выше, чем у сверла с нитридотитановым слоем. Данное покрытие наносят, как правило, методом ФОП на любые инструментальные материалы [11].

7. Вывод.

Нанесение износостойких покрытий на режущий инструмент является комплексной задачей. Отвечая ряду требований, покрытие в конечном счете должно характеризоваться высокой износостойкостью. Следовательно, оно должно обладать высокими термической стойкостью, механическими свойствами и прочностью сцепления с инструментальной основой. Выбор покрытия осуществляется в зависимости от типа обрабатываемого материала и области его применения. Любое покрытие должно обладать максимальной инертностью к обрабатываемому материалу, поэтому необходимо учитывать тип химической связи материала покрытия.

Считается, что чем заметнее проявляется металлический тип связи покрытия, тем сильнее оно схватывается с обрабатываемым материалом. Вот почему карбиды переходных металлов проявляют высокую адгезионную активность по отношению к различным металлам и сплавам, чем нитриды.

Необходимо отметить то, что применение многослойных и композиционных покрытий значительно увеличивает возможность оптимизации их свойств по сравнению с инструментальной основой и обрабатываемым материалом.

Список литературы.

1. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочник, методическое пособие. – Москва: Машиностроение, 1983.

2. Мацевитый В.М., Борушко М.С., Береснев В.М., Романова Л.М., Удовенко Е.С. Структура и механические свойства вакуумно-плазменных покрытий TiCN // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия.– № 3. –1984.

3. Волин Э.М. Ионно-плазменные методы получения износостойких покрытий ( Обзор зарубежной литературы за 1979-1983 гг.) // Технология легких сплавов.№ 10.1984.

4. Заявка 20935 Англия. Механические свойства пленок нитрида титана. Плазменное осаждение пленок нитрида титана / Мюзил Дж., Вискожид Дж., Баснер Р., Уэллер Ф. Опубл. 1985.

5. Третьяков И.П., Верещака А.С. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. – Москва: Машиностроение, 1986.

6. Белый А.В., Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. – Москва: Машиностроение, 1991.

7. Табаков В.П. Применение покрытий на основе карбонитрида титана для повышения стойкости режущего инструмента // Станки и инструменты. № 11. 1991.

8. Карпов Ю.И., Чижмаков М.Б. Особенности формирования покрытий Ti (N,C) на твердосплавных пластинах // Вестник машиностроения. – № 3. – 1992.

9. Фукс-Рабинович Г.С. Особенности структуры и свойств комбинированных покрытий для режущего инструмента // Трение и износ. 1994.  15. № 6.  С.994.

10. Булатов В.П., Гинзбург Б.М., Козырев Ю.П., Красный В.А., Седаков Е.Б., Кузнецов В.Г. Влияние режимов вакуумно-дугового напыления на износостойкость карбидо-титановых покрытий. Там же. С.1009.

11. Гнесин Г.Г., Фоменко С.Н. Износостойкие покрытия на инструментальных материалах (обзор) // Порошковая металлургия. – 1996. – № 9-10. С.1726.

24