CC BY
9
УДК 621.762
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ Р6М5 НА СВОЙСТВА ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ
ПОКРЫТИЙ ZrN Лавро Виктор Николаевич, доцент (e-mail: lavro7@mail.ru) Ганеева Анастасия Витальевна, студентка (e-mail:ganeewa2015@yandex.ru ) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
Выполнены исследования по изучения влияния шероховатости поверхности Ra, стали Р6М5 на свойства ионно-плазменных покрытий ZrN полученных методом КИБ. Определены оптимальные значения поверхности обеспечивающие максимальное качество покрытий.
Ключевые слова: покрытия, сталь, свойства, шероховатость, плазма, технология, параметр качества
Для исследования влияния шероховатости поверхности изделий на структуру и физико-механические свойства покрытий ZrN были подготовлены образцы с различной шероховатостью поверхности. Образцы из быстрорежущей стали Р6М5, цилиндрической формы 015мм и высотой h=6 мм., термообработанные по режиму - температура закалки 1240 0С, температура 3-х кратного отпуска 550 0С, твердость HRC 62-65.
Измерение параметров шероховатости Ra (среднеарифметическое отклонение профиля) и Rz (высота поверхности профиля по десяти точкам) изготовленных образцов проводилась на профилометре-профилографе Sutronic -3 (Taylor - Hobson) с компьютерной обработкой результатов.
Таблица 1. Параметры шероховатости Яа и Яг образцов _из стали Р6М5 без покрытия_
Образец Шкурка Параметры шероховатости, мм Класс шероховатости
Ra Rz
1 Полирование 0,03 0,20 12
2 4P 320 0,2 1,14 10
3 6P180 0,37 2,29 9
4 10P 120 0,51 2,9 8
5 16P 80 0,83 5,07 7
6 25P 60 0,95 5,42 7
Исследование структуры, элементного состава покрытий выполнен на РЭМ ШОЬ 18М-6390Л с приставкой ШБ2200 (Япония). Интегральный параметр качества покрытий К1 выполнен на приборе ПККП-1 по методу АПИД [1]. Для удаления продуктов шлифовки образцов и обеспечения ка-
чественного состояния поверхности применялась протирка бензином и спиртом, ультразвуковая очистка.
Результаты параметров шероховатости поверхности после абразивной обработки приведены в Таблице 1.
6
£
«
I
I
Номера образцов
Ка К:
Рисунок 1. Распределение шероховатости образцов без покрытий.
5
4
3
2
1
0
Таблица 2. Технологические параметры нанесения ионно-плазменного
покрытия 2гЫ.
1. Н.Т.О. (низкотемпературная очистка)
ир(Напряжение разря-да)=130 В !н(Ток нагрева и эмиттера электронов) =21 А т= 15мин
1р(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 И (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 =0.4 А И =0,5А Т=6000С
Iст = 3,0А р 1 ы2 (Давление азота в
камере) =3*10-3тор(Па)
Таблица 3. Параметры шероховатости поверхности Ra и Rz
c покрытием 2гЫ
Образец Шкурка Параметры шероховатости, мм Класс шероховатости
Ra Rz
1 Полирование 0,27 1,82 9
2 4P 320 0,62 3,56 8
3 6P180 0,65 4,01 7
4 10P 120 0,77 4,35 7
5 16P 80 0,99 5,96 7
6 25P 60 1,04 6,08 7
6
1 2 3 4 5 6
Номера образцов
Ка
Рисунок 2. Распределение шероховатости образцов с покрытиями
Ионно-плазменные покрытия наносились методом КИБ [2] на образцы с различной шероховатостью поверхности на модернизированной
плазменной установке «ЮНИОН». Технологические параметры нанесения представлены в Таблице 2.
Результаты шероховатости поверхности Яа и Яг с покрытием приведены в Таблице 3.
Для количественной оценки качества покрытий по методу АПИД используется интегральный параметр качества К1; который определялся по формуле
К1= ^о10± (1) Qo
где Qo и - количества электричества, прошедшее через электролитическую ячейку в процессе поляризации поверхности образца без покрытия и с покрытием. Результаты исследования параметра качества К1 приведены в Таблице 4.
Таблица 4. Результат интегрального параметра К1 образцов _из стали Р6М5 с покрытием 2гЫ._
N п/п Шероховатость Яа/мкм Измеряемые параметры качества покрытий
Q0*10-6 (Кл) Qo*10-6ср (Кл) Q0*10-6 (Кл) Qo*10-6ср (Кл) К1
1 0,03 650 632 644 642 144 140 138 141 0,78
2 0,2 572 570 568 570 147 145 142 145 0,74
3 0,37 552 549 554 552 160 161 168 163 0,7
4 0,51 581 577 580 579 262 269 263 265 0,54
5 0,83 458 461 461 460 281 285 282 283 0,38
6 ,0,95 493 490 488 490 275 277 274 275 0,23
Результаты исследований структуры и элементного состава покрытий полученного с образцов шероховатостью поверхности Яа = 0,37 приведены на Рисунке 3.
Рисунок 3. Структура покрытия Таблица 5. Процентное содержание химических элементов в покрытии
Element (кеУ) МаББ % Еггог % ЛШт%
N
2,042 89,86 1,03 94,7
W 1,774 10,14 5,3 5,3
кеУ
Рисунок 4. Элементный состав покрытий полученного
с образцов Rа = 0,37
Анализ проведенных исследований Анализ структуры образцов покрытием полученных при напылении методом КИБ, позволяет сделать вывод о том, что структура покрытий имеет явно выраженную поверхность.
В покрытии присутствует капельная фаза являющееся дефектом покрытия, что в совокупности с шероховатостью поверхности определяет износостойкость изделия с покрытием.
Изменение поверхности покрытия Яап от исходной поверхности приведены на Рисунке 5.
СРю * 9 О 9 в 8 м « 7 ю 6 л * 4 л 3 2 3 О 2 С л 1 & 0
0,03 0,2 0,37 0,51 0,83 0,95
Яа, мкм
Рисунок 5. Изменение поверхности покрытий от исходной шероховатости
образцов
Из полученных результатов видно, что при исходных значениях Яа < 0,37 относительная шероховатость увеличивается, а при Яа > 0,37 относительная шероховатость изменяется незначительно.
Влияния шероховатости поверхности на интегральный параметр качества Кг приведены на Рисунке 3.
Сравнивая значения параметра шероховатости поверхности (относительной шероховатости) интегрального параметра качества К можно выделить две зоны Яа < 0,37 и Яа > 0,37. Таким образом можно сделать вывод о влияние шероховатости поверхности изделий на свойства ионно-плазменных покрытий. При исходной Яа от 9 класса и выше наблюдаются лучшее физико-механические характеристики покрытий.
К
0,7 0,6 0,5 ОД 0,3 0,2 ОД О
0,95 0,33 0,51 0,37 0,2 0,03
Ra, мкм
Рисунок 3. Влияния шероховатости поверхности на параметр
качества покрытий К1
При исходной шероховатости поверхности образцов от 9 класса и ниже физико-механические характеристики покрытий значительно ухудшаются и такие изделия не пригодны для нанесения ионно-плазменных покрытий на режущий инструмент, а также при разработке новых технологий нанесения покрытий. Список литературы
1. Лавро В.Н. «Повторное упрочнение режущего инструмента ионно-плазменными покрытиями» //Актуальные вопросы развития инновационной деятельности в новом тысячелетие №6, (17) 2015 г., г. Новосибирск;
2. Барвинок В. А., Богданович В.И. «Физические основы и математическое моделирование процессов вакуумного ионно-плазменного напыления», -М.: Машиностроение, 1999 г., -309.
Lavro Viktor Nikolaevich, assistant professor Samara State Technical University, Samara, Russia e-mail: lavro7@mail.ru Ganeeva Anastasiya Vitalevna - student e-mail: ganeewa2015@yandex.ru
INVESTIGATION OF THE EFFECT OF SURFACE ROUGHNESS OF P6M5 STEEL ON THE PROPERTIES OF ZrN ION-PLASMA COATINGS.
Abstract. Research has been carried out to study the effect of surface roughness Ra, steel P6M5 on the properties of ion-plasma ZrN coatings obtained by the CIB method. The optimal values of the surface ensuring the maximum quality of coatings are determined. Keywords: coatings, steel, properties, roughness, plasma, technology, quality parameter.
