CC BY
15
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.9.025
В. П. ТАБАКОВ, А. В. ЧИХРАНОВ, К. И. БЕРЕЖНОЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ Ш^ШТИЖ
Представлены результаты по фазовому анализу, параметрам структуры и механическим свойствам многослойных покрытий ЫЬЫ-ШНХгЫ. Показана связь указанных характеристик с конструкцией покрытия и составом функциональных слоёв.
Ключевые слова: параметры структуры, механические свойства, нитрид титана, нитрид ниобия Исследование выполнено при поддержке гранта РФФИ - проект № 18-48-730011.
Введение. В последние годы всё большее применение находят многослойные покрытия на основе модифицированного нитрида титана, существенно повышающие эффективность механической обработки [1-6]. Однако в ряде случаев применение режущих инструментов с износостойкими покрытиями, в том числе и с многослойными, не отвечает требованиям производства. Кроме того, возможности модификации нитрида титана практически исчерпаны, что заставляет искать новые составы и конструкции износостойких покрытий. Поэтому разработка новых износостойких покрытий представляет собой актуальную проблему.
Цель работы: Исследование параметров структуры и механических свойств многослойных покрытий на основе нитрида ниобия.
Методика исследований. Покрытия наносили на установке «Булат-6» на твёрдосплавные пластины МК8 и быстрорежущие пластины Р6М5. Параметры структуры покрытий (периоды кристаллической решётки а и с, полуширину рентгеновской дифракционной линии р111) и остаточные напряжения а0 определяли на дифрак-тометре «ДРОН-3М», относительную микродеформацию кристаллической решётки Да/а и размеры блоков областей когерентного рассеивания (ОКР) В рассчитывали по методике работы [7]. Микротвёрдость И покрытий, модуль упругости Е и коэффициент интенсивности напряжений К1С, характеризующий трещиностойкость, определяли по методике, изложенной в работе [8], на микротвердомере МйШюуо N№125 с использо-
© Табаков В. П., Чирханов А. В., Бережной К. И., 2019
ванием пирамиды Кнуппа. Адгезионную прочность покрытий оценивали по величине коэффициента отслоения К0 (меньшее значение коэффициента свидетельствовало о большей адгезионной прочности), определяемого согласно методике работы [1] на твердомере ТК-2М.
Результаты исследований и их обсуждение. Обоснование двухслойной архитектуры покрытий проводили на основе работ [1, 3, 4], согласно которым архитектура многослойных покрытий, предназначенных для токарной обработки, обеспечивающая высокую сопротивляемость процессам трещинообразования, может иметь минимум два слоя. В качестве верхнего слоя следует использовать многоэлементные нитриды, которые обеспечивают благоприятные условия контактного взаимодействия на передней поверхности режущего инструмента, способствующих снижению эквивалентных напряжений, являющихся причиной возникновения в покрытиях трещин в процессе резания. Кроме того, такие нитриды обеспечивают благоприятное тепловое и напряжённое состояние режущего клина инструмента, а их высокие механические свойства и высокий уровень собственных сжимающих остаточных напряжений способствуют формированию в них сжимающих нормальных напряжений, сдерживающих процессы трещинообразования. Высокую прочность адгезии обеспечивают одноэлементные нитриды, которые целесообразно использовать в качестве нижних слоёв многослойных покрытий.
Исходя из вышесказанного, исследовали двухслойные покрытия в сравне-
нии с однослойными покрытиями NbN и Результаты исследований фазового
состава и параметров структуры покрытии представлены на рис. 1 и табл. 1.
Анализ фазового состава и дифрактограмм покрытии показывает, что изменение состава однослойных покрытии приводит к трансформации их кристаллического строения. Нитрид ниобия NbN имеет гексагональную кристаллическую решётку с преимущественной текстурой (110). Подтверждением этому является наличие на дифрактограмме покрытия дифракционного пика максимальной интенсивности на угле 29, равном 62°, соответствующего кристаллической плоскости (110) гексагональной структуры. Покрытие имеет тетрагональную кристаллическую решётку с преимущественной текстурой (004). Как следует из рис. 1, б, дифракционный пик максимальной интенсивности наблюдается на угле 29, равном 41,3°, который соответствует кристаллической плоскости (004) тетрагональной кристаллической решётки
На дифрактограммах двухслойных покрытий наблюдаются дифракционные пики на углах 29, равных 31,4° и 33,4, соответствующие гексагональной структуре (кристаллические плоскости соответственно 002 и 100), и дифракционные пики на углах 29, равных 35,2° и 41,3, соответствующие тетрагональной структуре (соответственно кристаллические плоскости
112 и 004) (рис. 1, в). При этом интенсивность дифракционных пиков, соответствующих гексагональной структуре, несколько выше, чем для тетрагональной структуры, что объясняется наличием в многослойном покрытии нижнего слоя имеющего гексагональную кристаллическую решётку.
Параметры структуры зависят от состава покрытий. В случае однослойных покрытий при переходе от одноэлементного покрытия NbN к трёхэлементному наблюдается сниже-
ние остаточных сжимающих напряжений, полуширины рентгеновской линии, повышение относительной микродеформации кристаллической решётки и размеров блоков ОКР (табл. 2). Многослойные покрытия имеют более высокие значения остаточных сжимающих напряжений по сравнению с покрытиями но меньше
по сравнению с покрытием Это может
быть связано с наличием в многослойном покрытии нижнего слоя имеющего высокие сжимающие остаточные напряжения. Более высокие сжимающие остаточные напряжения в покрытии NbN по сравнению с покрытием являются причиной более высоких значений напряжений в твёрдосплавной основе под многослойным покрытием (табл. 2).
J, ими.
1000
500
ГЧЬМ (110) а
N 2 о О £ г > \УС и н у
31)
35
40
45
МММ,
1000
500
50
J,
ими.
1000
500
30
35
40
О
55 60 65 2в, град.
.—-гч 3 о — в
г л 1 £ 7. 2
1 ^ 1 ~ N[>N(112)
1 л /
/ _
45 29, град. 30
35
40
45 29, град.
Рис. 1. Фрагменты дифрактограмм покрытий NbN (а), (б) и (в),
нанесённых на пластины МК8
Фазовый состав покрытий
Таблица 1
Угол дифракции 26, град Межплоскост. расстояние d, нм Относительная интенсивность нкь Фаза Тип решётки
экперим. табл. покрытия основы
МЪШлЪТ
31,7 0,28226 0,28200 0,64 001 WC
35,1 0,25566 0,25236 0,004 112 NbN тетрагональная
35,7 0,25150 0,25000 0,90 100 WC
41,3 0,11860 0,11708 1,00 004 NbN тетрагональная
48,4 0,18806 0,18700 1,00 101 WC
31,4 0,28489 0,2768 1,00 002 NbN гексагональная
33,4 0,26827 0,2570 1,00 100 NbN гексагональная
35,2 0,25495 0,2524 0,40 112 NbN тетрагональная
41,3 0,21860 0,2171 1,00 004 NbN тетрагональная
48,4 0,18806 0,1870 1,00 101 WC
Примечание: инструментальная основа МК8
Таблица 2
Параметры структуры покрытий
Материал основы Покрытие а, нм с, нм о, нм Аа/а 10-3 Д»4, град 00, МПа
20Х13 NbN 0,2994 0,5594 9 8,09 1,13* -2893±94
МЪШлЪТ 0,4402 0,8744 10 10,7 0,95 -1236±161
МЪ^МЪШШ 0,4438 0,8744 10 10,8 0,95 -1901±380
МК8 МЪШлЪТ 0,4457 0,8744 10 9,96 0,88 -238±161**
МЪ^МЪШШ 0,4438 0,8744 12 8,78 0,78 -368±104**
Примечание: * - измерено по пику 110; ** - макронапряжения в твёрдосплавной основе
Таблица 3
Механические свойства покрытий
Покрытие и,, ГПа Е, ГПа И, /Е И,' /Е2, ГПа Ксп, МПа-м1/2 ко
NbN 30,4 452 0,067 0,137 10,94 0,18
NbTi2rN 32,9 496 0,066 0,145 11,84 0,29
34,6 477 0,073 0,182 12,62 0,16
Период кристаллической решётки однослойных трёхэлементных покрытий и многослойных покрытий имеет примерно одинаковые значения (табл. 2).
Результаты измерения механических свойств покрытий представлены в табл. 3.
Как следует из табл. 3, по сравнению с покрытием NbN трёхэлементные однослойные и многослойные покрытия имеют более высокие значения микротвёрдости (на 8,2...13,8 %), модуля упругости (на 9,7...5,5 %), вязкости разру-щения (на 8,2...15,3 %). Величина сопротивляемости многослойных покрытий абразивному изнашиванию отличается от однослойных покрытий незначительно, в то время как сопротивляемость пластическому деформированию более высокая (до 25%). Трёхэлементные покрытия
№^2^ по сравнению с NbN имеют более низкую прочность адгезии с твёрдосплавной основой. Об этом свидетельствует их более высокие значения коэффициента отслоения, которые в 1,6 раза выше по сравнению с покрытием Коэффициент отслоения многослойных покрытий №N-№^2^ по сравнению с однослойными №^2^ и NbN меньше соответственно в 1,8 раза и 1,12 раза, что свидетельствует об их более высокой прочности адгезии с твёрдосплавной основой.
Анализ параметров структуры и механических свойств многослойных покрытий на основе нитрида ниобия позволяет сделать предположение об эффективности их использования в качестве покрытий режущего инструмента с целью повышения их работоспособности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Табаков В. П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента. - М.: Машиностроение, 2008. - 311 с.
2. Vereschaka A., Tabakov V., Grigoriev S., Sitnikov N., Andreev N., Milovich F. Investigation of wear and diffusion processes on rake faces of carbide inserts with Ti-TiN-(Ti,Al,Si)N composite nanostruc-tured coating // Wear, 2018, 416-417, pp. 72-80.
3. Табаков В. П., Худобин Л. В. Повышение работоспособности твёрдосплавного инструмента путём направленного выбора механических свойств слоёв многослойного покрытия с учётом функциональных параметров процесса резания // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2018. -№ 9. - С. 414-416.
4. Табаков В. П., Верещака А. С., Верещака А. А., Батако А. Д. Методологические подходы к формированию многослойных покрытий на режущем инструменте // Вестник машиностроения. - 2015. - № 9. - С. 82-88.
5. Vereschaka, A., Tabakov, V., Grigoriev, S., Seleznev, A., Shevchenko, S. Effect of adhesion and the wear-resistant layer thickness ratio on mechanical and performance properties of ZrN - (Zr,Al,Si)N coatings // Surface & Coatings Technology, 2019, 357, pp.218-234.
6. Табаков В. П., Чихранов А. В. Повышение работоспособности твёрдосплавного инструмента путём направленного выбора рациональных параметров состава износостойкого покрытия // СТИН. - 2016. - №3. - С. 14-18.
7. Горелик С. С., Расторгуев Л. Н., Скаков Ю. А. Рентгеноструктурный и электронно-оптический анализ металлов. - М. : Металлург-издат, 1970. - 366 c.
8. 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.
REFERENCES
1. Tabakov V. P. Formirovanie iznosostojkih ionno-plazmennyh pokrytij rezhushchego instrumenta [Formation of wear-resistant ionplasma coatings of cutting tools]. Moscow, Mashinostroenie, 2008, 311 p.
2. Vereschaka A., Tabakov V., Grigoriev S., Sitnikov N., Andreev N., Milovich F. Investigation of wear and diffusion processes on rake faces of carbide inserts with Ti-TiN-(Ti,Al,Si)N composite nanostructured coating // Wear, 2018, 416-417, pp. 72-80.
3. Tabakov V. P., Hudobin L. V. Povyshenie rabotosposobnosti tverdosplavnogo instrumenta putem napravlennogo vybora mekhanicheskih svojstv sloev mnogoslojnogo pokrytiya s uchetom funkcional'nyh parametrov processa rezaniya [Im-
proving the performance of carbide tools by directional selection of mechanical properties of multilayer coating layers taking into account the functional parameters of the cutting process] // Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya [Reinforcing technologies and coatings], 2018, 9, pp. 414-416.
4. Tabakov V. P., Vereschaka, A. S., Vereshchaka A. A., Batako A. D. Metodologicheskie podhody k formirovaniyu mnogoslojnyh pokrytij na rezhushchem instrumente [Methodological approaches to formation of multilayer coating on cutting tool] // Vestnik mashinostroeniya [Bulletin of mechanical engineering], 2015, 9, pp. 82-88.
5. Vereschaka, A., Tabakov, V., Grigoriev, S., Seleznev, A., Shevchenko, S. Effect of adhesion and the wear-resistant layer thickness ratio on mechanical and performance properties of ZrN - (Zr,Al,Si)N coatings // Surface & Coatings Technology, 2019, 357,pp.218-234.
6. Tabakov V. P., Chihranov 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.
7. 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.
8. Tabakov V. P., Chihranov A. V. Opredeleniye mekhanicheskikh kharakteristik iznosostoykikh ionno-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.
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. Бережной Кирилл Игоревич, студент третьего курса, машиностроительный факультет УлГТУ.
Поступила 28.11.2019 г.
