CC BY
46
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.9.025
В. П. ТАБАКОВ, М. Ю. СМИРНОВ, А. В. ЦИРКИН, А. В. ЧИХРАНОВ
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО НИТРИДАТИТАНА
Приведены результаты исследований физико-механических свойств износостойких покрытий на основе модифицированного нитрида титана. Показана эффективность применения режущего инструмента с покрытиями на основе модифицированного нитрида титана при обработке заготовок из конструкционных сталей.
Ключевые слова: износостойкие покрытия, модифицированный нитрид титана.
Широкое применение в машиностроении, в частности в инструментальном производстве, находят износостойкие покрытия, получаемые конденсацией вещества в вакууме с ионной бомбардировкой (КИБ). Наибольшей эффективностью при этом отличаются покрытия сложного состава на основе нитрида титана, легированного цирконием, алюминием, молибденом, хромом, железом, кремнием и др.
1. Физико-механические свойства двухэлементных покрытий на основе нитрида титана
Покры- тие Содержание легирующего элемента, %, мае. Е, ГПа нц, ГПа Kicm МПа- м,/2
TiN 350,1 29,16
TiZrN 15,63 379,0 38,65 14,44
TiAIN 17,55 369,0 38,39 14,77
TiMoN 13,99 377,4 34,92
TiFeN 0,85 301,3 33,20
Как видно из табл. 1, влияние легирующих элементов на механические свойства покрытия различно, но во всех случаях покрытия сложного состава имеют большие модуль Юнга Е, микротвёрдость Нц и трещиностойкость, характеризуемую вязкостью разрушения Kien, что связано с их твёрдорастворным упрочнением [1-4].
В связи с вышесказанным представляет интерес оценка влияния двух легирующих элементов на свойства покрытий из нитрида титана.
© В. П. Табаков, М. Ю. Смирнов,
А. В. Циркин, А. В. Чихранов, 2006
Исследовали влияние состава покрытий на основе нитрида титана - TiMeiMe2N (где Met -легирующие элементы базовых двухэлементных покрытий, Ме2 - дополнительные легирующие элементы) на микротвёрдость Ни, модуль Юнга Е, предел текучести От, ВЯЗКОСТЬ разрушения Kien И циклическую трещиностойкость t4. В качестве базовых для многоэлементных покрытий на основе модифицированного нитрида титана были взяты TiAIN и TiZrN, которые, согласно работам [1-3], в наибольшей степени повышают работоспособность режущего инструмента. Для их легирования использовали алюминий, молибден, хром, железо, цирконий, кремний, применяемые при нанесении износостойких покрытий. Покрытия наносили на твёрдосплавные пластины МК8 на установке «Булат-бТ», снабжённой тремя испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. При этом два противоположно расположенных катода-испарителя изготавливали составными, содержащими титан и легирующий элемент Меь третий составной катод, расположенный между ними, содержал титан и легирующий элемент Ме2. Физикомеханические свойства покрытий определяли по методикам работ [1-6], химический состав - на рентгеновском микроанализаторе МАР-4 с учётом ZAF-поправки.
Результаты исследований физико-механических свойств покрытий представлены в табл. 2.
Установлено, что максимальное увеличение микротвёрдости в зависимости от легирующего элемента Ме2 составляет (11 - 20) % для покрытий на основе нитрида титана и циркония и (14 -23) % - на основе нитрида титана и алюминия. При этом большие значения микротвёрдости характерны для покрытий, легированных циркони-
ем, алюминием и кремнием, меньшие - хромом, железом, молибденом.
Дополнительное легирование двухэлементных покрытий приводит к увеличению модуля Юнга. Так использование в качестве легирующего элемента Ме2 алюминия и кремния в покрытии TiZrN увеличивает величину Е на (12-13) %, а легирование покрытия TiAIN кремнием и цирконием - соответственно на 14 и 20 %. В меньшей степени модуль Юнга возрастает при введении в состав покрытий TiZrN и TiAIN хрома, железа и молибдена.
Увеличение микротвёрдости и модуля Юнга покрытий на основе модифицированного нитрида титана ведёт к росту предела текучести от. Легирование покрытия TiAIN хромом, цирконием и кремнием приводит к увеличению от на (18 - 19) %, а железом и молибденом - на (12 - 13) %. Аналогичные данные получены и для покрытия TiZrN: легирование его хромом, алюминием и кремнием способствует увеличению ат на (13-17) %, а железом - на (8 - 9) %.
Увеличение модуля Юнга и предела текучести изменяет ВЯЗКОСТЬ разрушения Kien покрытий на основе модифицированного нитрида титана. Для покрытия TiAIN при легировании его железом, хромом и молибденом характерно снижение Kien на 4 %, а легирование их цирконием и кремнием, наоборот, повышает вязкость разрушения на 7 и 15 % соответственно. Для покрытия TiZrN дополнительное легирование кремнием и алюминием приводит к росту вязкости разрушения на (10 - 12) %, использование в качестве легирующего элемента хрома и молибдена практически её не изменяет, а железа -несколько снижает (на 4 %).
Дополнительное легирование покрытий TiAIN и TiZrN значительно увеличивает время до появления трещин в покрытии (tu), что свидетельствует о повышении их трещиностойкости. Например, легирование покрытия TiAIN цирконием и кремнием приводит к росту tq соответственно в 2,3 и 3,2 раза, а легирование покрытия TiZrN алюминием и кремнием - в 2,8 и 3,2 раза соответственно.
Таким образом, можно сделать вывод, что введение в состав двухэлементных покрытий второго легирующего элемента приводит к изменению их структурных параметров [3] и физико-механических свойств. При этом многоэлементные покрытия на основе модифицированного нитрида титана обладают более высокими микротвёрдостью, пределом текучести, модулем Юнга, вязкостью разрушения и циклической трещиностойкостью, что должно положительно сказаться на интенсивности износа режущего инструмента.
2. Физико-механические свойства покрытий на основе модифицированного
нитрида титана
1
мм/м
I 0,6
J 0.4
02 0
TiAIN TiAlSiN TiAlZrN
Покрытие
Рис. 1. Интенсивность износа J пластин МК8 с покрытиями на основе TiAIN при обработке заготовок из стали 30 ХГСА (а) и 12Х18Н10Т (б)
По- кры- тие Содержание легирующего элемента Ме2, %, мае. нц, ГПа от, ГПа Е, ГПа Кісп5 МПах хм1'2 % мин
TiZrAl N 6,36 42,6 14,29 425 16,10 27,4
9,25 43,3 14,47 428 16,17 28,5
TiZr- MoN 2,40 38,7 13,06 395 14,55 11,8
4,73 39,7 13,48 399 14,48 13,1
TiZrCr N 1,44 38,1 12,81 387 14,41 9,5
6,09 41,8 14,01 404 14,37 15,7
11,28 42,2 14,18 405 14,35 15,7
TiZr- FeN 0,49 38,8 12,93 384 14,02 8,7
0,94 40,1 13,32 388 13,94 9,5
1,35 40,1 13,37 387 13,84 9,6
TiZr- SiN 0,25 39,1 13,06 399 14,84 20,2
0,49 41,1 13,70 414 15,32 30,7
0,84 41,8 13,91 423 15,83 31,6
TiAl- FeN 0,43 41,2 13,49 382 14,32 8,6
0,85 42,2 13,76 389 14,31 8,8
1,21 42,2 13,76 392 14,52 8,7
TiAl- MoN 2,08 41,5 13,43 389 14,58 13,1
4,12 42,6 13,82 397 14,55 15,0
TiAlCr N 1,35 40,8 13,08 378 14,53 11,5
5,96 44,9 14,52 399 14,12 18,0
11,12 44,5 14,28 403 14,55 18,9
TiAlZr N 4,61 41,7 13,46 396 15,24 18,9
12,17 45,3 14,48 417 15,58 28,8
23,39 44,5 14,29 419 15,76 23,3
TiAl- SiN 0,25 42,5 13,59 411 16,01 19,0
0,49 45,3 14,47 432 16,58 30,7
0,83 45,7 14,59 442 17,00 30,8
мм/м
О
TiZrN TiZrAlN TiZrSiN
Покрытие
Рис. 2. Интенсивность износа J пластин МК8 с покрытиями на основе TiZrN при обработке заготовок из стали 30 ХГСА (а) и 12Х18Н10Т (б)
Интенсивность износа инструмента из твёрдого сплава МК8, которую определяли как отношение величины фаски износа по задней поверхности к пути резания, исследовали при продольном точении заготовок из конструкционной легированной стали 30ХГСА (V = 180 м/мин; Эо = 0,15 мм/об; t = 0,5 мм) и нержавеющей стали аустенитного класса 12Х18Н10Т (V = 150 м/мин; Эо = 0,15 мм/об; I = 0,5 мм).
Установлено (рис. 1 и 2), что применение покрытий Т1А1Ме2Н и Т^гМе2М приводит к снижению износа режущего инструмента в 1,3-1,8 раза при обработке заготовок из стали ЗОХГСА и в 1,2 - 1,7 раза при обработке заготовок из стали 12Х18Н10Т по сравнению с соответствующими покрытиями Т1АШ и
БИБЖОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Табаков, В. П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонит-ридов титана / В. П Табаков. - Ульяновск: УлГТУ, 1998.- 123 с.
2. Табаков, В. П. Исследование износостойкости покрытий режущего инструмента, полученных с применением составных катодов /
В. П. Табаков // СТИН. - 1996. -№ 3. - С. 14-17.
3. Табаков, В. П. Исследование параметров структуры и механических свойств покрытий, полученных из составных катодов / В. П. Табаков,
А. В. Чихранов, С. С. Порохин // Материалы и технологии XXI века: сборник статей П Международной научно-технической конференции. - Пенза: ПДЗ, 2004.-С. 21-24.
4. Циркин, А. В. Разработка многослойного покрытия для торцовых фрез / А. В. Циркин // Вестник УлГТУ. - 2003. - № 3 - 4. - С. 33-35.
5. Табаков, В. П. Свойства износостойких покрытий сложного состава и работоспособность режущего инструмента / В. П. Табаков, М. Ю. Смирнов, А. В. Циркин, А. В. Чихранов // Надежность и ремонт машин: сборник материалов 2-й международной научно-технической конференции (26 сентября - 2 октября 2005 г.). -Орел: ОрелГАУ, 2005.-С. 183-187.
6. Korsunsky, А. М. On the hardness of coated systems / A. M. Korsunsky, M. R. McGurk, S. J. Bull, T. F. Page // Surface and Coatings Technology 99.- 1998.-P. 171-183.
Табаков Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Металлорежущие станки и инструменты» УлГТУ. Научный руководитель исследований в области технологии нанесения износостойких покрытий методом КИБ.
Смирнов Максим Юрьевич, кандидат технический наук, доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» УлГТУ. Имеет статьи в области технологии нанесения износостойких покрытий методом КИБ.
Циркин Алексей Валерьевич, кандидат технический наук, доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» УлГТУ. Имеет статьи в области технологии нанесения износостойких покрытий методом КИБ.
Чихранов Алексей Валерьевич, инженер кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» УлГТУ. Имеет статьи в области технологии нанесения износостойких покрытий методом КИБ.
