CC BY
562019, №2 : www.paradigma.science
УДК 672.7
Власов С. Н., Баландина Т. В., Власова А. С.
Исследование влияния состава и структуры нанопокрытий на процесс резания
Аннотация. В статье рассмотрены виды покрытий режущего инструмента. Перечислены часто используемые виды покрытий режущего инструмента. На основе анализа процессов, протекающих в зоне резания выявлены наиболее эффективные виды покрытий режущего инструмента.
Ключевые слова: режущий инструмент, нанопокрытие, напыление, осаждение, режимы резания.
Использование современного высокопроизводительного и дорогостоящего металлорежущего оборудования, оснащенного системами с числовым программным и адаптивным управлением, особенно в условиях гибких автоматизированных производств и мехатронных станочных систем, повышает требования, предъявляемые к качеству и надежности режущего инструмента, а также усложняет условия его работы. Режущие инструменты таких систем работают при высоких контактных напряжениях и температурах, при активации всех физико-химических процессов. При этом контактные площадки инструмента интенсивно изнашиваются от абразивного воздействия твердых включений в обрабатываемых материалах, протекания адгезионно-усталостных, коррозионно-окислительных и диффузионных явлений. В этих условиях работоспособность инструмента может быть повышена за счет изменения состояния приповерхностных свойств, при которых контактные площадки режущего клина будут наиболее эффективно сопротивляться изнашиванию, особенно при повышенных температурах. При этом инструментальный материал в объеме тела инструмента должен одновременно обладать достаточным запасом прочности при сжатии и изгибе, приложении ударных импульсов и знакопеременных напряжений.
Перечисленные свойства обычно являются взаимоисключающими, и для создания режущего инструмента с комплексом указанных свойств на поверхности и в объеме тела в настоящее время используются различного рода износостойкие покрытия (ИП). Информация о данных свойствах, а также о взаимосвязи их с технологическими режимами нанесения и конструкцией ИП необходима при разработке новых ИП, в том числе многослойных. [1, с. 77]
В начале 80х годов прошлого века начали применяться и сразу же продемонстрировали экономическую эффективность покрытия Нитрид титана-бинарное химическое соединение титана с азотом.
Представляет собой фазу внедрения с широкой областью гомогенности, которая составляет от 14,8 до 22,6% азота (по массе), что можно обозначить брутто-формулами от Т^,60 до соответственно.
Следующим шагом было создание двухслойных покрытий, состоящих из последовательно нанесенных слоев карбида титана ТЮ или карбонитрида титана TiCN и тонкого поверхностного слоя оксида алюминия А1203.
Таблица 1 - Часто используемые покрытия РИ
Покрытие Наименование Инструмент Обрабатываемый материал
TiN нитрид титана метчики, свёрла, НМ-пластины инструментальная сталь, чугун, легированные стали (не титаносодержащие)
TiCN карбонитрид титана фрезы инструментальная сталь, чугун, легированные стали
ZrN нитрид циркония сверла, метчики, развертки титановые сплавы, медь, алюминий, графит
ZrCN карбонитрид циркония фрезы концевые, фрезы дисковые легированные стали
TiAlN нитрид титаналюминия свёрла, фрезы высокоскоростная обработка сталей и сплавов, обработка изделий без использования СОЖ
CrN нитрид хрома ножи, циркульные фрезы дерево, фанера, ДСП, алюминий
В последнее десятилетие разработаны и широко применяются различные комбинации покрытий с применением тонких внешних твердосмазочных покрытий (например, TiAlN/MoS2), которые обеспечивают хороший отвод стружки. Низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью обладают высокотвердые алмазоподобные покрытия (diamondlikecarbon coatings - DLC). Однако у них имеется серьезный не достаток: очень высокий уровень внутренних напряжений, приводящий к охрупчиванию и отслаиванию при высоких контактных нагрузках, что ограничивает толщину покрытий до 1 мкм. Еще одна проблема такого покрытия - низкая теплопроводность, которая может приводить к их локальной графитизации с последующим вымыванием. Верхний рабочий температурный предел ограничен 250 °C, и требуется
применение смазывающих охлаждающих жидкостей (СОЖ). Покрытия кубического нитрида бора (CBN) также обладают высоким уровнем внутренних напряжений и толщину покрытия не более 0,1 мкм. [2, с. 121]
Направленное изменение свойств покрытий путем варьирования их составом, структурой и строением позволяет существенно влиять на контактные характеристики процесса резания. Известно [1, с.84], что химический состав, физико-механические и теплофизические свойства покрытий могут значительно отличаться от соответствующих параметров инструментального и обрабатываемого материалов, и, как следствие, покрытие следует рассматривать как своеобразную «третью среду». Процесс нанесения покрытия на поверхность режущего инструмента определяется как свойствами материала покрытия и инструмента, так и спецификой протекания процессов формирования покрытия. Методы ФОП, несмотря на некоторые присущие им недостатки (например, невозможность осаждения покрытий в больших углублениях и сложность нагрева подложки в вакууме), в целом наиболее перспективны для нанесения износостойких покрытий на режущие инструменты. Связано это, во-первых, с возможностью точного регулирования технологических процессов и их полной автоматизации [3, с.17-26]. Во-вторых, низкая температура процесса позволяет обрабатывать любые инструментальные материалы и при этом достигать высокой адгезии покрытия с основой. В-третьих, высокая скорость формирования покрытия. И, наконец, метод ФОП безопасен для окружающей среды и экономически выгоден [4, с. 44].
В работе исследованы покрытия режущего инструмента различных брутто-формул состава - TiN, ZrN, VN, CrN. Показано, что при разработке ионно-плазменных покрытий новых составов для режущих инструментов наряду с легированием необходимо учитывать влияние нестехиометрии на эксплуатационные свойства материала покрытия, поскольку концентрация неметалла (углерода, азота) в карбидах и нитридах оказывает существенное влияние на напряженное состояние в поверхностном слое инструмента. Для расчета фазового состава покрытий, формируемых ионно-плазменным напылением, применен термодинамический метод определения характеристик равновесия произвольных гетерогенных. Исходными данными при моделировании процесса ионно-плазменного напыления являются давление реакционного газа в камере, скорость осаждения покрытия и температура подложки. Проведены расчетно -экспериментальные исследования фазового и химического состава покрытий на основе нитридов титана, циркония, ванадия и хрома. Установлено, что расчетный и экспериментальный фазовые составы покрытий на основе нитридов титана и циркония при ионно-плазменном напылении имеют
качественно и количественно близкие значения. Расчетом и экспериментом (методами рентгеноструктурного анализа) установлено, что на фазовый и химический состав ионно-плазменных покрытий на основе нитридов титана, циркония, ванадия и хрома оказывают существенное влияние давление азота и температура. Так, при давлении азота в вакуумной камере Р=1.06 Па и температуре подложки 200-300°С покрытие, по данным эксперимента, состоит из нитрида титана сверхстехиометрического состава TiN117. (расчет - TiN120). С уменьшением давления азота до 0.008 Па и ниже покрытие содержит фазу - TiN0.83 (TiN0.84 - расчет). Исследована зависимость эксплуатационных свойств ионно-плазменных покрытий, содержащих нитриды титана, хрома, ванадия и твердые растворы на их основе, от легирования. Установлено, что микротвердость исследованных покрытий изменяется в пределах 16-35 ГПа. Среди изученных покрытий самой высокой твердостью обладает нитрид титана-TiN (26 ГПа). Покрытие (TiCr)N чуть ниже по твердости - 20-22 ГПа. Аналогичная твердость наблюдается и у покрытия (Ti V)N. Микротвердость покрытия на основе нитридов хрома колеблется в пределах 16-20 ГПа. Износостойкость образцов и инструмента с покрытиями в 1.5-3 раза выше, чем без них. При этом наибольшей износостойкостью обладают стали с многокомпонентными покрытиями на основе твердых растворов. Показано, что в большинстве случаев повышенной износостойкостью при обработке стали, сплавов титана и никеля обладают карбиды и нитриды переходных металлов и в первую очередь нитриды IV группы и карбиды V группы. В целом, свойства покрытий регламентируются универсальными технологическими параметрами процесса КИБ, такими как: давление реакционного газа, температура подложки и скорость осаждения. Установлено, что эти параметры позволяют прогнозировать режимы формирования покрытий оптимального состава с заданными свойствами.
Библиографический список:
1. Гнесин Г.Г., Фоменко С.Н. Износостойкие покрытия на инструментальных материалах (обзор): Порошковая металлургия / Г.Г. Гнесин, С.Н. Фоменко. -1996. - № 9-10. - С.17-26
2. Белый А.В., Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев / А.В. Белый, Г.Д. Карпенко, Н.К. Мышкин, - Москва: Машиностроение, 1991. - 208 с.
3. Кузьмина С.В. Интеграция мировых научных процессов как основа общественного прогресса: сборник материалов Международной научно-практической конференции Общества Науки и Творчества «Уникальные исследования XXI века: прогрессивные процессы мировой научной мысли» / Под общ. ред. С.В. Кузьмина. - Казань, 2014. -140 с.
2019, №2 : www.paradigma.science
4. Табаков В.П. Технологические методы нанесения износостойких покрытий режущего инструмента: учебное пособие / В.П. Табаков, Д.И. Сагитов. -Ульяновск: УлГТУ, 2014. - 90 с.
Власов Станислав Николаевич
к.т.н., доцент, Димитровградский инженерно-технологический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Россия, г. Димитровград
Баландина Татьяна Владимировна
магистрант, Димитровградский инженерно-технологический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Россия, г. Димитровград
Власова Анастасия Станиславовна
студентка, Ульяновский государственный университет Россия,г.Ульяновск
