Повышение работоспособности режущего инструмента с наноструктурными покрытиями Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.9

1 2 Е.В. Симагина , Ю.В. Агабеков

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С НАНОСТРУКТУРНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

ООО «Нижегородские моторы» группа ГАЗ1, НПФ «Элан-Практик»

В условиях действующего производства проведены испытания твердосплавных режущих пластин с различными видами наноструктурных покрытий. Выявлено четырёхкратное увеличение стойкости режущего инструмента с наноструктурным покрытием АШМ по сравнению с пластинами без покрытия.

Ключевые слова: нанострукурное покрытие, стойкость режущего инструмента, вакуумная установка, магнетронное плазменное напыление.

Работоспособность металлорежущего инструмента в процессе механической обработки в значительной мере влияет на качество обрабатываемой поверхности за счет изменения контактных условий в зоне резания, стабильности процесса резания, а также на производительность обработки за счет сокращения времени резания (возможности увеличения режима резания) и снижения времени на замену режущего инструмента (увеличение периода стойкости) [1].

В современной промышленности широко применяются различные конструкционные материалы: титановые, алюминиевые, титан - алюминиевые сплавы и др. Эти материалы, при низкой удельной массе обладают высокими прочностными и вязкостными характеристиками. Высокая вязкость существенно затрудняет обработку таких материалов. В связи с этим к современному металлорежущему инструменту предъявляются повышенные требования, он должен иметь высокую стойкость в условиях высоких механических и тепловых нагрузок.

Процесс обработки металлов резанием может быть существенно усовершенствован за счёт применения покрытия режущего инструмента.

Состав и свойства износостойких покрытий в значительной степени зависят от техники и технологии их нанесения [2]. Методы нанесения путём осаждения делятся на две большие группы: физические (ФОП, или РУО) и химические (ХОП, или СУО). Внутри этих двух основных групп существует большое количество разновидностей. Также активно применяются комбинированные методы.

При физическом осаждении (РУО) материал покрытия переходит в газовую фазу из твёрдого состояния в результате испарения под воздействием тепловой энергии или в результате распыления за счёт кинетической энергии столкновения частиц материала. Нанесение покрытий методом РУО происходит при невысокой температуре (до 450°С), что не приводит к практическим ограничениям по материалам, на которые наносится покрытие. Это важно при нанесении покрытия на быстрорежущую сталь, так как температура не превышает температуру отпуска закалённой стали (около 550°С). Процессы РУО происходят в вакууме или в атмосфере рабочего газа при достаточно низком давлении (около 10-2 мбар).

Метод химического осаждения (СУО) практически не имеет ограничений по химическому составу покрытий. Свойства получаемого покрытия зависят от комбинации материалов и параметров процесса. Если процесс протекает при заполнении пространства реакционным газом (кислородом, азотом, углеводородом), происходит нанесение оксидных, нитрид-ных и карбидных покрытий.

© Симагина Е.В., Агабеков Ю.В., 2010.

При таком методе нанесения покрытия химические реакции происходят на или около поверхности покрываемого материала. В противоположность процессам РУО, при которых твёрдые материалы покрытия переводятся в газообразную фазу путём испарения или распыления, при процессе СУО в камеру покрытия подаётся смесь газов.

Для протекания необходимых химических реакций требуется температура до 1100°. Это существенно ограничивает число материалов, на которые можно нанести покрытие методом СУО. Процессы СУО происходят в менее глубоком вакууме при давлениях между 100 и 1000Па.

Область применения двух основных методов нанесения покрытия определяется их описанными ранее свойствами. Процессы СУО протекают при высоких температурах и при более высоком давлении. В следствие чего, этот метод не пригоден для изделий из быстрорежущей стали (термообработанные быстрорежущие стали теряют все свои свойства в результате отпуска), а для твёрдого сплава такие температуры приводят к неприятным последствиям - в поверхностном слое наблюдается снижение вязкости твёрдого сплава с покрытием по сравнению с твёрдым сплавом без покрытия. Это является следствием обезуглероживания граничной зоны, что приводит к образованию эта-фазы твёрдого сплава - хрупкой поверхностной зоны толщиной 3-5 мкм.

Для снижения вредного воздействия температуры нанесения покрытия на свойства подложки был разработан способ нанесения покрытия СУО при более низких температурах (около 800°С). Такой метод получил название среднетемпературного метода СУО (МТ-СУО) в отличии от высокотемпературного (ИТ-СУБ).

Снижение температуры позволило сократить снижение вязкости, но не решило эту проблему полностью. Скомпенсировать снижение вязкости твёрдого сплава под воздействием температуры способствовало появлению градиентных твёрдых сплавов (с изменяемым по глубине составом) и нанесению многослойных покрытий.

Два метода нанесения покрытия также различаются между собой по виду внутренних напряжений в слое покрытия. При нанесении покрытий методом РУО имеют место сжимающие напряжения, а при нанесении методом СУО - растягивающие. Растягивающие напряжения улучшают адгезию покрытия и основы.

Таким образом, описанные свойства двух методов нанесения покрытия определили их область применения. Химический метод нанесения покрытия в основном используется для нанесения покрытия на твердосплавные пластины для токарной обработки. Доля фрезерных пластин с покрытием СУО значительно ниже, так как они более чувствительны к возможному снижению вязкости в поверхностной зоне под покрытием из-за постоянной работы с переменными нагрузками.

На сегодняшний день разработана ещё одна разновидность метода СУО, позволившая снизить температуру покрытия практически до уровня покрытия РУО и избежать её негативных последствий, - этот метод представляет собой практическую комбинацию двух основных методов нанесения покрытий методом СУО и происходит в среде плазмы, как при методе РУО.

Кроме способа нанесения покрытия, РУО и СУО отличаются также по составу и структуре.

В основе твердых упрочняющих покрытий лежат тонкопленочные керамические материалы - нитриды, карбиды, карбонитриды переходных металлов (титана, хрома, циркония, вольфрама и др.). Эволюция упрочняющих покрытий представлена на рис.1.

Развитие упрочняющих покрытий шло в направлении усложнения их структуры: от монофазных к многофазным, от однослойных к многослойным и градиентным покрытиям.

Одним из перспективных направлений повышения стойкости РИ является нанесение нанокомпозитных покрытий. Нанокомпозитные покрытия представляют собой новый класс материалов, которые обладают уникальным комплексом физических и механических свойств.

Нанокомпозитное покрытие состоит, по крайне мере, из двух фаз, имеющих наномет-ровые размеры: нанокристаллической и аморфной, или двух различных нанокристалличе-ских фаз. Механические и трибологические свойства нанокомпозитных (наноструктурнх) покрытий не подвержены правилам объемного смешивания, а зависят от эффектов границ зерен, и от синергетических взаимодействий композитных составных частей, благодаря размерному эффекту.

ТЧГЧ ТК^ ТК:, Т1М-Т1А1М-\Л//С:Н, Т1М-Т1А1М-АтМ-А120 Многослойные покрытия

Т1С1Ч, СгС1Ч, Т1А11Ч, Т11ЧЫЧ, И/гН,/исгы Однослойные многофазные покрытия

ТЧГЧ, ЛС, СгГЧ, УУС, ВМ

Монофазные покрытия

Рис. 1. Развитие упрочняющих нанокомпозитных покрытий

Нанокомпозитные покрытия могут быть разделены на два типа: двухразмерные (2D) и трехразмерные (3D) нанокомпозиты.

2D нанокомпозиты (покрытия типа superlattice) - это многослойные покрытия с периодической структурой двух или более чередующихся нанослоев (толщиной от 1нм до 10 нм) различных материалов. В качестве материалов нанослоев могут выбираться различные металлы, углерод, нитриды, карбиды, оксиды переходных металлов и др.

3D нанокомпозиты - это покрытия, структура которых представляет собой объемное распределение двух и более наноразмерных фаз, находящихся в непосредственном контакте друг с другом. Фазы, входящие в состав нанокомпозита, могут иметь нанокристаллическую или аморфную структуру. По своему химическому составу эти фазы могут быть металлическими, углеродными или керамическими (нитриды, карбиды, оксиды переходных металлов и др.).

В настоящей работе описаны производственные испытания режущих сменных многогранных неперетачиваемых пластин (СНП), организованные с целью оценки работоспособности режущего инструмента с различными видами наноструктурных покрытий. Систематическое исследование такого вида покрытий в настоящее время отсутствует.

Испытания проводились в условиях действующего производства ООО «Нижегородские моторы» специалистами отдела развития технологических процессов и подготовки производства в период с июля по декабрь 2009. Были испытаны СНП формы ТКМС 220408 из сплава ВК8, производства «Кировоградский завод твёрдых сплавов», с различным видами наноструктурных покрытий (пять видов), нанесённых для испытания в вакуумной установке для магнетронного плазменного распыления (PУD-покрытий) UniCoat 700 НПФ «Элан-практик» (г. Дзержинск). В настоящее время магнетронное распыление является одним из основных широко распространённых вакуумных методов нанесения тонкоплёночных покрытий.

2Э нанокомпозиты

ЗО нанокомпозиты

>Т|С1Ч, Т1Ат >А1~ПN Градиентные покрытия

Таблица 1

Характеристики покрытий

№ п/п Номер опыта Тип покрытия Цвет покрытия a, мкм Н, ГПа Е*, ГПа Н/Е nIT, % HV Адгезия

1 48к АТ AlTiN Серый 3,1 44 367 0,127 75 4125 HF1

2 54к АТ-Т AlTiN- TiN ml Радужный 3,0 39 326 0,127 74 3686 HF1

3 84к АХ AlCrN Светлосерый 3,5 42 363 0,122 73 3931 HF1

4 57к АТ-Т AlTiN-TiN ml Радужный 3,5 41 369 0,118 71 3851 HF1

5 6к АТ (Ti,C)N Светло-коричневый 3,0 42 317 0,14 78 3932 HF1

Примечание: a - расчётная толщина. H - инденторная твёрдость.

E*=E/(1-v2), ГПа - приведённый модуль упругости (где Е - модуль Юнга, v=0,25 - коэффициент Пуассона). HV - микротвёрдость по Виккерсу.

nIT,% - доля работы упругой деформации (упругое восстановление)

Механические характеристики покрытия (табл. 1) оценивались методом наноиндента-ции образца-свидетеля в соответствии с DIN EN ISO 14577-1 с использованием системы FISHERSKOPE ®H100C. Адгезия покрытия к основе оценивалась по адгезионному тесту Ро-квелла (стандарт VDI-3198) - индентации образца-свидетеля с покрытием на твердомере Ро-квелла под нагрузкой 1500 Н и последующей визуальной оценкой результата индетации по шестибалльной шкале. Балл HF1 соответствует наивысшей адгезионной прочности.

Испытания образцов проводились на операции токарной обработки детали 310291701040 - Крышка первичного вала (материал СЧ18 ГОСТ1412-85 - отливка 143-229 HB) (табл. 2).

Таблица 2

Данные об операции токарной обработки

№ п/п Операция 05-токарная

1 Обработка Получистовая с ЧПУ

2 Оборудование Станок токарный с ЧПУ СВ-141

3 СОЖ АТМ СОЖ

4 Обрабатываемый размер d116/d82

5 Частота вращения шпинделя n=3 80 об/мин

6 Скорость резания F=100-130 м/мин

7 Глубина резания а=0,5-1мм

8 Длина обработки Хобр=32мм

9 Минутная подача ^м=57мм/мин

10 Время резания 7рез=0,56мин

Испытания проводились по действующей методике М 37.102.0022. В процессе испытания фиксировалась величина фактической стойкости и износа СНП. Смена изношенных граней СНП производилась по технологическому критерию затупления (при несоответствии

обработанной поверхности заданным параметрам точности и шероховатости). После окончания испытаний проводилась статистическая обработка полученных результатов.

Оценка работоспособности СНП с различными покрытиями осуществлялась на основе сравнения их стойкости со стойкостью СНП без покрытия (рис. 2). Коэффициент стойкости СНП без покрытия принят равным 1. Из рис. 2 видно, что наибольшую работоспособность проявляет покрытие Л1Т1К. Этот вывод вытекает и из анализа табл. 3.

Стойкость СНП при обработке СЧ18

350 -

Б/П 48кАТ АТ-Т 54 84кАХ 57к-АТ-Т 6кАТ

AlTiN AlTiN- AlCrN AlTiN- TiCN

TiNml -1 TiNml - 2

Покрытие

Рис. 2. Гистограмма, иллюстрирующая стойкость СНП с различными видами наноструктурных покрытий при обработке СЧ18

В табл. 3 приведены результаты математической обработки испытуемого инструмента с наноструктурными покрытиями.

Таблица 3

Результаты испытания вариантов покрытий

№ Покрытие Коли- Средняя Гарантирован- Коэффициент Коэффици-

п/п чество приведен- ная стойкость, стойкости (по ент вариа-

опытов ная стой- дет./грань сравнению с не- ции сред-

кость, покрытым об- ней приве-

дет./грань разцом) дённой

стойкости

- Без покрытия 9 69 61 1,00 0,09

1 AlTiN 9 312 234 4,54 0,20

2 AlTiN-TiNmll 9 189 145 2,75 0,18

3 AlCrN 9 64 55 0,92 0,10

4 AlTiN-TiNml2 9 185 161 2,68 0,10

5 (Ti,C)N 9 58 48 0,84 0,13

Выводы

1. Низкое значение коэффициентов вариации свидетельствует о достоверности и высокой степени повторяемости полученных данных.

2. Значительное повышение стойкости (в 4,54 раза по сравнению с непокрытым образцом) наблюдалось при эксплуатации режущего элемента с покрытием AlTiN (образец №1), а также с покрытием AlTiN-TiNml (образец №2). Снижение стойкости (по сравнению с непокрытым образцом) наблюдалось при эксплуатации режущего элемента с покрытием (Ti,C)N.

Библиографический список

1. Бобров, В.Ф. Резание металлов / В.Ф. Бобров. - М.: Машиностроение, 1975. - 343 с.

2. Локтев, Д.А. Методы нанесения износостойких покрытий и оборудование для их реализации // Стружка. 2004. № 12. С. 6-11.

Дата поступления в редакцию 30.03.2010

E.V. Simagina, Y.V. Agabekov

THE ENHANCE OF CUTTING INSTRUMENTS WEAR AND TEAR BY

MEANS OF NANOTECHNOLOGIES

The five hard-metal nano-coated inserts for turning were tested in industry-conditions of "Gorky Automobile Plant". The AlTiN-nano-coat increased tool life in four times.

Key words: nano-structure -coating, cutting instruments wear and tear, vacuum - adjustment, magnetron-plasma-covering.