CC BY
29
УДК 621.9.025
В. П. ТАБАКОВ, А. В. ЧИХРАНОВ, Я. А. ДОЛЖЕНКО
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ НИТРИДА НИОБИЯ
Представлены результаты исследований по фазовому анализу, параметрам структуры и механическим свойствам покрытий на основе нитрида ниобия. Показана связь указанных характеристик с формоустойчивостьюрежущего клина инструмента.
Ключевые слова: параметры структуры, механические свойства, нитрид титана, нитрид ниобия.
Исследование выполнено при поддержке гранта РФФИ - проект № 18-48-730011.
Введение. Создание высокоэффективного режущего инструмента с износостойкими покрытиями требует непрерывного улучшения эксплуатационных свойств покрытий за счёт поиска новых составов [1-3]. Одним из перспективных материалов для использования в качестве покрытия режущего инструмента можно считать нитрид ниобия, благодаря отличию в лучшую сторону его механических и теплофизиче-ских свойств от нитрида титана. Публикации о применении нитрида ниобия или его многоэлементных модификаций в качестве покрытий для режущего инструмента, в том числе и в качестве слоёв многослойных покрытий, в отечественной и зарубежной литературе практически отсутствуют. Имеются публикации об использовании ниобия как легирующего элемента в покрытиях на основе нитрида титана [4]. Показано, что введение ниобия в состав покрытий на основе нитрида титана позволяет изменять механические свойства покрытий и способствует повышению работоспособности режущего инструмента. Немногочисленные работы, в которых рассматривают покрытия NbN в качестве отдельных слоёв или слоёв в многослойных покрытиях типа ТМЫЪК, посвящены исследованию деформаций и стабилизации свойств данных покрытий [5].
Цель работы: Исследование возможности использования нитрида ниобия и его модификаций в качестве износостойких покрытий.
Методика исследований. Исследовали покрытия NN NbTiN и в сравнении с покрытием ТК, которые наносили на твёрдо-сплавные пластины МК8 производства МКТС и пластины из стали 20Х13. Химический состав покрытий определяли методом количественного рентгеноспектрального анализа на установке
© Табаков В. П., Чихранов А. В.,
Долженко Я. А., 2019
МАР-4 с учётом ZAF-поправок. Параметры структуры покрытий (период кристаллической решётки а для покрытий ТК, а и с для покрытий на основе NN полуширину рентгеновской дифракционной линии в), остаточные сжимающие напряжения ао исследовали на дифрактометре «ДРОН-3М», размеры блоков областей когерентного рассеивания (ОКР) D рассчитывали по методике работы [6]. Микротвёрдость Нмодуль упругости первого рода Е, и коэффициент интенсивности напряжений К1С покрытий определяли по методикам, изложенным в работе [7], прочность адгезии покрытий с инструментальной основой оценивали по коэффициенту отслоения К0. Также определяли сопротивляемость покрытий абразивному изнашиванию Н/Е, пластическому деформированию Н//Е2.
Результаты исследований и их обсуждение. Многоэлементные покрытия наносили двумя катодами из ниобия, расположенными противоположно друг другу, и составным катодом из титана со вставкой из хрома. Химический состав покрытий представлен в табл. 1. Анализ фазового состава и дифрактограмм покрытий показал, что нитрид ниобия NN имеет гексагональную кристаллическую решётку. По сравнению с нитридом титана нитрид ниобия имеет более высокие значения полуширины рентгеновской линии в (в 2,6 раза), сжимающих остаточных напряжений ао (в 3,1 раза) и меньшие значения размеров блоков ОКР D (в 2,5 раза).
Введение в состав покрытия NN Т и Сг приводит к изменению кристаллического строения покрытия. Многоэлементные покрытия на основе NN имеют тетрагональную кристаллическую решётку. Как видно из данных табл. 1, изменение кристаллического строения покрытий отражается на параметрах структуры. Много-
элементные покрытия имеют более высокие значение периодов кристаллической решётки, меньшие значения полуширины рентгеновской линии, большие размеры блоков ОКР (в 1,1.. .1,7 раза). По сравнению с NbN многоэлементные покрытия имеют меньший уровень сжимающих остаточных напряжений (в 1,7.2,3 раза). При переходе от двухэлементных покрытий к трёхэлементным наблюдается тенденция в снижении полуширины рентгеновской линии, остаточных сжимающих напряжений и повышение размеров блоков ОКР.
Исследования механических свойств (табл. 2) показали, что по сравнению с TiN покрытия NbN имеют более высокую микротвёрдость (в 1,2 раза), модуль упругости (в 1,5 раза), трещино-стойкость и прочность адгезии (коэффициент отслоения покрытий NbN меньше в 4,1 раза). В то же время они имеют меньшую величину сопротивляемости абразивному изнашиванию И^/Е и пластическому деформированию И//Е2. Многоэлементные покрытия, по сравнению с имеют несколько большую микротвёрдость (до 12%), коэффициент интенсивности напряжений, что свидетельствует об их более вы-
сокой трещиностойкости (на 8,4...29,7%), и меньшую прочность адгезии (коэффициент отслоения многоэлементных покрытий выше в 1,6.2,2 раза по сравнению с №N1. Модуль упругости многоэлементных покрытий несколько ниже, а сопротивляемость абразивному изнашиванию и пластическому деформированию выше, чем у покрытий
Обобщение полученных данных позволяет отметить, что для покрытий наблюдаются
отличные от покрытий ТК закономерности изменения параметров структуры и механических свойств при введении в их состав дополнительных элементов. В отличие от покрытий ТК переход от одноэлементного покрытия к многоэлементным сопровождается уменьшением полуширины рентгеновской линии и остаточных сжимающих напряжений, незначительным ростом микротвёрдости, уменьшением модуля упругости. При этом имеют место закономерности, характерные для покрытий ТК, - рост трещино-стойкости и снижение прочности адгезии при наличии в покрытии дополнительных легирующих элементов [8].
Таблица 1
Химический состав и параметры структуры покрытий (основа - сталь 20Х13)
Покрытие Содержание элементов, % ат. a, нм c, нм воо4, град D, нм а0, МПа
Nb Ti Cr
TiN - 100 - 0,42525 - 0,44* 23 -920±84
NbN 100 - - 0,2994 0,5594 1,13** 9 -2893±94
NbTiN 55,6 44,4 - 0,4358 0,8704 0,86 11 -1744±313
NbTiCrN 43,8 48,1 8,1 0,4403 0,8535 0,84 11 -1234±597
Примечание: *, ** - измерено соответственно по пикам (111) и (110)
Таблица 2
Механические свойства покрытий (основа - твёрдый сплав МК8)
Покрытие Hp, ГПа Ко KIC, МПа-м'/г Е, ГПа H /Е Н//Е2, МПа
TiN 24,7 0,5 9,23 315 0,078 0,152
NbN 29,8 0,12 9,78 467 0,064 0,121
NbTiN 31,8 0,23 12,01 449 0,07 0,159
NbTiCrN 33,4 0,26 12,69 448 0,075 0,186
Таблица 3
Влияние состава покрытия на изменение температур на передней поверхности режущего инструмента
Покрытие X, Вт/(м-°С) Т °С пср? ^ Т °С тах? ^ ЛТп, °С
™ 29,3 815 1108 12
3,77 801 1057 90
0,7 119 0,5 0,7 0,5
Рис. 1. Распределение пластических деформаций еу (%) в режущем клине инструмента из твёрдого сплава МК8 с покрытием Т1К (а, в) и (б, г) после 5 мин (а, б) и 15 мин (в, г) работы
X
1 4
2
Рис. 2. Изменение формы режущего клина твёрдосплавного инструмента с покрытиями ТК (1, 2) и (3, 4) в зависимости от времени работы: 1, 3 - 5 мин; 2, 4 - 15 мин
Используя методику работы [9] провели оценку формоустойчивости режущего клина твёрдосплавного инструмента с покрытиями при продольном точении заготовок из конструкционной стали 30ХГСА. Определение контактных характеристик процесса резания, температур и напряжений, действующих в режущем клине инструмента, проводили путём аналитического расчёта действующих на передней и задней поверхностях режущего клина инструмента удельных нагрузок и температур с последующим численным расчётом методом конечных элементов с использованием пакета программ ANSYS.
Проведённые расчёты (табл. 3) показывают, что использование покрытия толщиной
5 мкм позволяет снизить температуру теплового потока на передней поверхности режущего инструмента АТп на 90°С, в то время как применение покрытия ТК приводит к уменьшению температуры лишь на 12°С.
Снижение контактных температур совместно с контактными нормальными и касательными напряжениями при увеличении длины контакта стружки с передней поверхностью приводит к изменению теплового и напряжённого состояния режущего клина инструмента с покрытием
При использовании покрытия NN по сравнению с покрытием ТК наблюдается смещение изотерм температурных полей и изобар напряжений в режущем клине инструмента в сторону от задней поверхности и режущей кромки. Причиной этого является большая длина контакта стружки с передней поверхностью по сравнению с покрытием ТК Более существенное снижение контактных температур на передней поверхности режущего инструмента при использовании покрытия NN приводит к меньшему прогреву инструмента, что проявляется в смещении изотерм по направлению к передней поверхности.
Используя полученные данные по тепловому и напряжённому состоянию и рекомендации работы [9], было получено распределение относительных пластических деформаций при ползучести в режущем клине инструмента из твёрдого сплава МК8 (рис. 1). Как видно, деформации ползучести подвергаются слои инструментальной основы, прилегающие к передней по длине контакта со стружкой и задней поверхностям. Максимальная деформация на передней поверхности имеет место на середине контакта стружки с передней поверхностью, где высокий уровень контактных температур интенсифицирует процессы ползучести. Деформации ползучести со стороны задней поверхности также максимальны в области наибольших температур. Как следует из рис. 2, с повышением времени работы твёрдосплавных пластин возрастает как величина пластических деформаций, так и область её распространения. Используя полученные данные по тепловому и напряжённому состоянию, определили величину пластических деформаций вершины режущего клина инструмента, вызванных ползучестью инструментального материала. Как следует из рис. 2, использование нитрида NN в качестве покрытий для режущего инструмента по сравнению с ТК, обеспечивает снижение величины деформаций в 2,1...2,5 раза, что свидетельствует о большей формоустойчивости режущего клина и более благоприятном теплонапряжённом состоянии.
Анализ полученных результатов позволяет отметить, что повышение формоустойчивости режущего клина инструмента с покрытием NN связано как с изменением контактных процессов, протекающих на передней и задней поверхностях режущего инструмента, так и со снижением величины тепловых потоков, поступающих в инструментальный материал. Причём наибольшее влияние на снижение деформаций вы-
сокотемпературной ползучести оказывает именно теплобарьерная функция данного покрытия.
Полученные данные по механическим свойствам многоэлементных покрытий на основе NbN и оценка формоустойчивости режущего клина инструмента с покрытием NbN позволяют сделать заключение, что применение нитрида ниобия и его модификаций может повысить эффективность режущего инструмента по сравнению с традиционным покрытием нитрида титана.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Tabakov V. P., Vereschака A. S. Development of technological means for formation of multilayer composite coatings, providing increased wear resistance of carbide tools, for different machining condition // Key Engineering Materials, 2014, 581, pp. 55-61.
2. Tabakov V. P. The Influence of Machining Condition Forming Multilayer Coatings for Cutting Tools // Key Engineering Materials, 2012, 496, pp. 80-85.
3. Табаков В. П., Чихранов А. В. Повышение работоспособности твёрдосплавного инструмента путем направленного выбора рациональных параметров состава износостойкого покрытия // СТИН. - 2016. - №3. - С. 14-18.
4. Cicek H., Baran O., Keles A., Totik Y., Efeoglu I.. A comparative study of fatigue properties of TiVN and TiNbN thin films deposited on different substrates // Surf. Coat. Technol., 2017, 332, pp. 296-303.
5. Molina-Aldareguia J. M., Lloyd S. J., Clegg W. J., Odren M., Hultman L., Deformation structures under indentations in TiN/NbN single-crystal multilayers deposited by magnetron sputtering at different bombarding ion energies // Phil. Mag., 2002, 82(10), pp. 1983-1992.
6. Горелик С. С., Расторгуев Л. Н., Скаков Ю.
A. Рентгеноструктурный и электронно-оптический анализ металлов. - Москва : Метал-лургиздат, 1970. - 366 c.
7. Табаков В. П., Чихранов А. В. Определение механических характеристик износостойких ионно-плазменных покрытий на основе нитрида титана // Известия Самарского научного центра РАН. - 2010. - Т. 12, №4. - С. 292-297.
8. Tabakov V. P., Chikhranov A. V. Multicom-ponent nitride coatings for improving tool performance // Russian engineering research, 2009, Т. 29, 10, pp. 1047-1053.
9. Табаков В. П., Смирнов М. Ю., Циркин А.
B., Чихранов А. В. Оценка формоустойчивости режущего клина инструмента с износостойким
покрытием // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2007. - № 5. - С. 37-41.
REFERENCES
1. Tabakov V. P., VereschaKa A. S. Development of technological means for formation of multilayer composite coatings, providing increased wear resistance of carbide tools, for different machining condition // Key Engineering Materials, 2014, 581, pp. 55-61.
2. Tabakov V. P. The Influence of Machining Condition Forming Multilayer Coatings for Cutting Tools // Key Engineering Materials, 2012, 496, pp. 80-85.
3. Tabakov V. P., Chikhranov A. V. Povyshenie rabotosposobnosti tverdosplavnogo instrumenta putem napravlennogo vybora racional'nyh parametrov sostava iznosostojkogo pokrytiya [Improving the performance of carbide tools by directional selection of rational parameters of the composition of the wear-resistant coating] // STIN [Machines and tools], 2016, 3, pp. 14-18.
4. Cicek H., Baran O., Keles A., Totik Y., Efeoglu I.. A comparative study of fatigue properties of TiVN and TiNbN thin films deposited on different substrates // Surf. Coat. Technol., 2017, 332, pp. 296-303.
5. Molina-Aldareguia J. M., Lloyd S. J., Clegg W. J., Odren M., Hultman L., Deformation structures under indentations in TiN/NbN single-crystal multilayers deposited by magnetron sputtering at different bombarding ion energies // Phil. Mag., 2002, 82(10), pp. 1983-1992.
6. Gorelik S. S., Rastorguyev L. N., Skakov Yu. A. Rentgenostrukturny i elektronnooptichesky analiz metallov [X-ray Structure and Electron-Optical Analysis of Metals]. Moscow, Metallurgizdat, 1970, 366 p.
7. Tabakov V. P., Chihranov A. V. Opredeleniye mekhanicheskikh kharakteristik iznosostoykikh ion no-plazmennykh pokryty na osnove nitrida titana [Determining the Mechanical Properties of Durable Ion Plasma Coatings Based on TiN] // Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra RAN [Bulletin of Samara RAS Research Center], 2010, 12 (4), pp. 292-297.
8. Tabakov V. P., Chikhranov A. V. Multicom-ponent nitride coatings for improving tool performance // Russian engineering research, 2009, T. 29, 10,pp.1047-1053.
9. Tabakov V. P., Smirnov M. Yu., Tsirkin A. V., Chihranov A. V. Ocenka formoustojchivosti rezhushchego klina instrumenta s iznosostojkim pokrytiem [Form resistance estimation of the cutting wedge of the tool with a wearproof coatings] // Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya [Reinforcing technologies and coatings], 2007, 5, pp. 37-41.
Табаков Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Инновационные технологии в машиностроении», машиностроительный факультет УлГТУ. Чихранов Алексей Валерьевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Общепрофессиональные дисциплины», Ульяновский институт гражданской авиации им. Главного маршала авиации Б. П. Бугаева. Долженко Яна Артуровна, техник, Ульяновский институт гражданской авиации им. Главного маршала авиации Б. П. Бугаева.
Поступила 28.11.2019 г.
