CC BY
30
УДК 621.762
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ TIN, CRN, ZRN, (TIAL)N НА ТВЕРДОСПЛАВНОМ ИНСТРУМЕНТЕ Евманов Сергей Батырович, студент (e-mail: evmanoff2014@yandex.ru) Лавро Виктор Николаевич, доцент (e-mail: lavro7@mail.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В работе выполнены исследования по изучению технологии нанесения покрытий TiN, CrN, ZrN, (TiAl)N на твердосплавные пластины Т15К6, а также структуры и физико-механических свойств для определения наиболее эффективной области их применения в металлообработке.
Ключевые слова: покрытие, плазма, свойства, инструмент, применение.
В настоящее время достаточно большое количество различных покрытий применяется в промышленности для упрочнения режущего и штампового инструмента. В работе были выбраны наиболее перспективные и часто применяемые ионно-плазменные покрытия. Для их получения были использованы катоды из сплава ВТ-1-0 (покрытие TiN); ВХ1Н (покрытие CrN); иодий цирконий (покрытие ZrN); катод (TiAl), полученные методом СВС-прессования (покрытие (TiAl)N).
Таблица 1
Технологические параметры этапов нанесения покрытия TiN
1. Н.Т.О. (низкотемпературная очистка)
Up( Напряжение разряда) =126 В !н( Ток нагрева и эмиттера электронов) =20 А т=10 мин
1р(Ток разряда) =1,35 А Гэн(Ток электромагнитной катушки) =3,2 А Pа(Давление аргона)= 2*10-4тор(Па)
2. И.О. (ионная очистка)
IД (Ток дуги испарите-ля)=80А U ОП (Напряжение на подложке) = 1000 В т (Время нагрева и очистки изделия) =7 мин
IФ (Ток фиксирующей катушки) = 0,6 А К(Ионный ток плазмы) = 1,0А ^Температура нагрева из-делия)=6000С
IСТ (Токстабилизирующей катушки) = 2,7 А Pост(Давление азота в камере) =2*10-5тор
3. Конденсация TiN
IД =80 А U Оп=120 В т (Время конденсации покрытия) =20мин
IФ =0.3 А Ii =0.5 А T= 5000С
ICT = 2.7 А р 1 N 2 (Давление азота в камере) =4 10-3тор(Па)
Таблица 2
_Технологические параметры этапов нанесения покрытия СгЫ_
1. Н.Т.О. (низкотемпературная очистка)
ир (Напряжение разряда)=120В Iн( Ток нагрева и эмиттера электронов) =21,3 А т=15мин
1р(Ток разряда) =1,36 А Гэн(Ток электромагнитной катушки) =3А Ра(Давление аргона)= 2*10-4топ (Па)
2. И.О. (ионная очистка)
IД (Ток дуги испарите-ля)=100 А и ОП (Напряжение на подложке ) =1000 В т (Время нагрева и очистки изделия )= 1 мин
IФ (Ток фиксирующей катушки) = 0,2А К (Ионный ток плазмы) = 0,5*1,0 Т(Температура нагрева из-делия)=600С
Iст (Токстабилизирующей катушки) = 2,7А Рост (Давление азота в камере) =1*105тор
3. Конденсация С^
IД= 120 А и ОП=120 В т (Время конденсации покрытия) =20мин
IФ = 0,3А И =0,5 А Т=600С
Iст = 2,7А р 1 ы 2 (Давление азота в камере) =1,8*10-3тор(Па)
Таблица 3
Технологические параметры этапов нанесения покрытия 2гЫ_
1. Н.Т.О. (низкотемпературная очистка)
ир(Напряжение разря-да)=130 В Iн(Ток нагрева и эмиттера электронов) =21 А т= 15мин
!р(Ток разряда)=1,3 А Гэн(Ток электромагнитной катушки)=3,2А Ра(Давление аргона)=2*10-4топ(Па)
2. И.О. (ионная очистка)
IД (Ток дуги испарите-ля)=130А и ОП (Напряжение на подложке )=1000В т (Время нагрева и очистки изделия ) =10мин
IФ (Ток фиксирующей катушки) = 0,5 А К (Ионный ток плазмы) = 0,7*1,0А Т(Температура нагрева из-делия)=600 С
Iст (Токстабилизирующей катушки) =3,0 А Рост (Давление азота в камере) =2*10-5тор
3. Конденсация ZrN
IД=130 А иОП=100 В т (Время конденсации покрытия) =20 мин
IФ =0.4А И =0,5А Т=6000С
Iст = 3,0А р 1 ы 2 (Давление азота в камере) =3*10-3тор(Па)
Таблица 4
Технологические параметры этапов нанесения покрытия (TiAl)N
1. Н.Т.О. (низкотемпературная очистка)
^(Напряжение разря-да)=120 В 1н(Ток нагрева и эмиттера электронов) =20,8 А т= 10мин
^(Ток разряда)=1,07 А 1эн (Ток электромагнитной катушки)= 3,1 А Ра (Давление аргона) = 2,5*10-4топ(Па)
2. И.О. (ионная очистка)
IД (Ток дуги испарите-ля)=85А и ОП (Напряжение на подложке ) =1000 В т (Время нагрева и очистки изделия )= 7мин
IФ (Ток фиксирующей катушки) = 1,0А И (Ионный ток плазмы) = 1,5 Т(Температура нагрева из-делия)= С
Iст (Токстабилизирующей катушки) = 2,7А Рост (Давление азота в камере) =3*10-5тор Па
3. Конденсация (TiAl)N
Iя = 85 А U ОП = 120 В т (Время конденсации покрытия) =20 мин
IФ = 0,4А Ii = 0,8 А Т=600С
ICT = 2,7А р 1 N 2 (Давление азота в камере) =4*10-3тор(Па)
¥ - я. • " - ' *■ ~ ,.«.
Title -U-L- : IHG2
Instrument
Volt : 20.00 kV
Mag. : к 100
Date : 2019/02/01
Pixel : 1280 X 9€0
ZAF Method Standardleas Quantitative Analysis Fitting Coefficient : 0.7276
Element (keV) Mass% Error% Atom! ■
N К 0.392 В.33 2.93 23.71
Ti К 4.508 91.67 2.12 76.29
Total 100.00 100.00
20.8017 74.4183
] Мсшш
и
3
1- u
à т
1 ï
0- - 1 J
1 1
Acqui3itioi Instrument Acc. Voltage Probe Current PHA mode Real lime Live lime Dead lime Counting Rate Energy Range
Parameter 6390(LA) 20.0 kV 1.00000 nA
52.29 sec 45.00 sec 14 %
10978 cps 0-20 keV
1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV
Рисунок 1 - Результаты исследований элементного состава и свойства
2019/02/01 1280 X 960
ZAF Method Standardless Quantitative Analysis Fitting Coefficient : 0.5746
Element (keV) Mass% Error% Atom% Compound
1.714 10.14
Acquisition Pari Instrument : Acc. Voltage : Probe Current: PHA mode : Real Time : Live lime : Dead Time : Counting Rate: Energy Range :
6390 (LA} 20.0 kV 1.00000 nA
15 %
11235 cps 0-20 keV
Рисунок 2 - Результаты исследований элементного состава и свойства
noKpbiTHaZrN
■ »Г/- :.■ ■ -
' • : , ' г í \ ■-■: ">í-
Title
Volt Mag. Date Pixel
20.00 kV
X 100 2019/02/01 1260 X 960
i i
i Sees
ZAF Method Standardleas Quantitative Analyai:
Fitting Coefficient Element {keV|
С К 0.277
Я К 0.392
Cr К 5.411
W M 1.774
0.7381 Mass% 15.05 2.51 5B.04 24.40
Error% 1.14 3.29
Atom% Compound
К
5.0285 3.5 622 €8.2505 20.1719
ЗОН)
5
,1
a
Ü i.
1 i *
é 1 1 \ 5 3
щ í 1 S
0- A J 1 1 -A__ !
i Parameter
Instrument Acc. Voltage Probe Current PHA mode Real Time Live Time Dead Time Counting Rate Energy Range
5.00 6.00 7.00 keV
8.00 9.00 10.00
6390(LA! 20.0 kV l.OOOOO nA
Рисунок 3 - Результаты исследований элементного состава и свойства
покрытияС^
К-д.
га.ар х 1ао
2АГ КйЬЬоэ - -V.-- ^ _"
Fi.tt.ing C3efii.ci.ent : 2
! -_- - '■ --И Е у .1&2 13. £5 31.25 А1 7. 1.436 2&.51 -:."?3 35..55 К 47.17 21.53 Н М 1.ТТ4 &_27 1.47 : »7
Гаъа! 1пд .од юз.-]а
к
22.5215 21.516= 44*!»963
5.5353
У.-*:- Г I
зооо- '2
2400- —
1 II
900- н Г _с .я
£ 3 1 1 £ л
1 < 1 1 1 1 *
0- . 4 1 1 1 1
Г"
"пл-сгшпегл 6390 )1А)
Асе. Т.то1ьад-а 20.0 XV
ггоЬе Сигге-г^ 1.00000 пЬ
»НА шэае Т2
Я.еа1 Тале 47.55 зе-с
Х-Атге Таав 41.0В г«
1-е га Тале %
Соипь1г.д Ел.се 11057 ср=
Епегду РьДк^ге 0-20 Ье*
0.00 1.05 ЗЛО
4.00 5.00 6.0« 1.00 Е.ОО 5.00 10.00 кс\'
Рисунок 4 - Результаты исследований элементного состава и свойства по-
крытия(TiAl)N
Нанесение покрытий выполнено на плазменной установке "Юнион".
Технолгические параметры нанесения покрытий представлены в таблицах 1-4.
Результаты исследования структуры и элементного анализа, выполненного на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6390A, представлены на рисунках 1-4.
Все покрытия получены с максимальной величиной микротвёрдости. Давление реакционного газа (Ы) выбиралось из расчета полученной математической твердости на поверхности. На рисунках можно увидеть, что у покрытия наименьшее количество капельной фазы, что говорит о его высоком качестве, так же покрытие СгЫ тоже имеет аналогичную капельную фазу. Менее качественными являются покрытия (^А1)Ы и ТЫ из-за присутствия большого количества капельной фазы.
В работе проведено определение интегрального параметра качества покрытия по методу анодно-поляризационного инициирования дефектов (АПИД) на приборе ПККП-1 [1]. Результаты приведены в таблице 5.
Метод АПИД показывает совокупность физико-химических свойств покрытий, определяющих, уровень износостойкости режущего инструмента с покрытиями [1]. Для количественной оценки качества покрытий по данному методу использовался интегральный параметр качества К1, который определяется по формуле:
Кг
QO-Qn ' Q0 ,
(1)
где Q0 и Qn - количество электричества, прошедшее через электролитическую ячейку в процессе поляризации поверхности образца без покрытия и с покрытием.
Таблица 5
Материал катода T i плпокр. Измеренные параметры расчета
Q0-10-6 кл Qoср Qn Qn ср K1 Кср
ВХ4-1 ^5К6 502,500, 493,543, 559 865
ОТ 1-00 TiN 283,260, 269,265, 261 267 0,69
СВС-прессование (TiAl) (TiAl)N 387,371, 382 380 0,56
CrN - - 486,484, 477 4482 0,44
ZrN - - 386,380, 385,382 383 0,55
По данным результатам параметра качества К1= можно прогнозировать повышение стойкости инструмента в 2,5-3 раза.
В работе были проведены исследования структуры и физико-механических свойств ионно-плазменных покрытий TiN, (TiAl)N, CrN, ZrN, определены оптимальные параметры упрочнения на плазменной установке "Юнион".
Список литературы
1. Григорьев С.Н. Метод повышения стойкости режущего инструмента: учебник для студентов вузов/ Григорьев С.Н. - М.: Машиностроение, 2011. - 368 с.
2. Лавро В.Н Определение свойств вакуумно-плазменных покрытий методом АПИД. - Самара: Самарский гос. Техническийуниверситет, 2013. -12с.
LavroVicktorNikolaevich, associate professor Evmanov Sergei Batirovich, student
RESEARCH OF THE STRUCTURE AND PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF ION-PLASMA COATINGS TIN, CRN, ZRN, (TIAL)N ON A SOLID TOOL
Abstract. In this article, studies have been carried out to study the technology of deposition of TiN, CrN, ZrN, (TiAl)N coatings on T15K6 hard-alloy plates, as well as the structure and physicomechanical properties to determine the most effective area of their application in metal working.
Keywords: coating, plasma, properties, tools, application.
