CC BY
18ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В ТЕХНИЧЕСКОМ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОСНАЩЕНИИ СОВРЕМЕННОГО АПК И ПРОМЫШЛЕННОСТИ
УДК 539.231
ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ НАНОПОКРЫТИЙ НА РЕЖУЩЕМ ИНСТРУМЕНТЕ МЕТОДОМ НАНОИНДЕНТИРОВАНИЯ
Скобло Т. С., д.т.н., профессор, Романюк С. П., аспирант, Сидашенко А.И., к.т.н., профессор
Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства им. П. Василенко
Аннотация. Исследованы свойства исходного металла режущего инструмента с нанопокрытием CrN методом наноиндентирования. Показано, что нанотвердость исходного металла составляет 4,09 ГПа, с нанопокрытием CrN - 23,19 ГПа, что обеспечивает более высокие физико - механические свойства инструмента.
Ключевые слова: режущий инструмент, покрытие, нанотвердость, нитрид хрома, физико - механические свойства
Введение. Одним из наиболее эффективных способов повышения надежности режущих рабочих органов оборудования в перерабатывающем производстве является метод нанесения различных нанопокрытий на их поверхность. Свойства исходного материала ножей, обработанных традиционными методами, существенно отличаются от использования нанопокрытий. Применение нитридных и карбидных покрытий обеспечивает существенное увеличение износостойкости режущего инструмента в процессе эксплуатации.
Для анализа механических свойств исходного материала ножей, толщиной 0,64мм, используют методы определения твердости и микротвердости [1]. При исследовании различных механических свойств нанопокрытий требуется применения современных методов, позволяющих проводить измерения на нано уровне [2]. Для этого используется метод наноиндентирования с автоматической записью диаграммы нагружения индентора [3]. В качестве индентора обычно используется трехгранная пирамида Берковича, позволяющая
избежать проблемы сведения четырех граней в одну точку, свойственной инденторам Виккерса. Одним из основных направлений применения метода наноиндентирования является измерение твердости и модуля упругости [4]. Для получения необходимой информации о поведении материала под индентором, определения твердости и модуля упругости тонких покрытий наиболее широко применяется метод американских ученых В. Оливера и Д. Фара [5], а также его разновидности - метод конечных элементов, идеальный метод [1]. Получаемая в результате наноиндентировании диаграмма внедрения индентора служит источником информации о физико -механических свойствах материала [6].
Целью работы является определение физико - механических свойств нанопокрытий СгМ при нанометровых глубинах индентирования.
Материалы и результаты исследования
В работе исследовали режущий инструмент для дробления орехов в кондитерском производстве, изготовленный из холоднокатаной тонколистовой стали 20Х13 с упрочнением нанопокрытием ОМ. Диаметр ножей составляет 76мм с отверстием 32мм и толщиной 0,64мм. Упрочнение осуществляли с одной стороны для повышения усталостной прочности средней части ножа и его основания. Кроме того, такое покрытие обеспечивает повышение износостойкости режущей кромки.
Нанопокрытие СгМ наносили на поверхность режущего инструмента вакуумно-дуговым методом с использованием установки типа "Булат-6" методом Нанопокрытие СгМ было получено
путем прямой конденсации испаряемого материала с использованием отрицательного высокочастотного смещения на подложке. Толщина полученного нанопокрытия составила 300 нм.
Для определения физико-механических характеристик нанопокрытий использовали метод вдавливания наноиндентора с регистрацией глубины его внедрения при возрастании нагрузки и записью диаграмм. Использовали прибор «ШпоМейог в200». Для исследования был изготовлен образец размером 22*22 мм с полированной поверхностью (12 класса). Часть образца прикрывалась маской для получения сопоставительных данных с исходным материалом.
Для измерений использовали алмазную пирамидку Берковича. При обработке полученных данных по наноиндентированию с использованием распространенной стандартной методики Оливера -Фарра возможно нахождение твердость и модуль упругости только при максимальной нагрузке на индентор, что является существенным
его недостатком. Поэтому анализ данных при наноиндентировании проводили, используя модуль непрерывного контроля жесткости CSM с записью нагрузочной и разгрузочной кривой [7]. Диаграмма внедрения индентора при наноиндентировании имеет вид, представленный на рис. 1.
Рис.1. Вид диаграммы индентирования
Кривая нагружения характеризует сопротивление материала внедрению индентора и отражает упругие и пластические свойства покрытия. Кривая разгрузки соответствует упругому восстановлению отпечатка.
По результатам одного испытания выявляется зависимость твердости и модуля упругости от глубины внедрения индентора.
При проведении исследований в эксперименте для каждого образца было проведено по 10 измерений, на основании которых получены средние значения твердости и модуля упругости. Глубина внедрения индентора составляла 200нм. Скорость приближения к поверхности образца составляла 10 нм/с. Нагрузка на наноиндентор, в зависимости от глубины внедрения, составляла 0,1^130шК.
Диаграмма внедрения индентора для исходного образца и с покрытием приведены на рис.2.
Рис.2. Диаграмма внедрения индентора при наноиндентировании для исходного образца (а) и с нанопокрытием С^ (б)
Для подтверждения полученной толщины покрытия провели наноиндентирование на глубину до 1 мкм (рис.3).
25 1
а
Н 5
О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Глубина внедрения индентора, нм Рис.3. Изменение нанотвёрдости для образца с покрытием CrN при глубине внедрения индентора до 1мкм
Из полученной зависимости следует, что снижение нанотвердости происходит после 280нм.
Таблица 1. Средние значения нанотвердости сопоставляемых образцов_
Глубина внедрения индентора, нм Нанотвердость, ГПа
исходный образец с нанопокрытием CrN
20 16,1 3,7
40 23,8 4,7
60 24,4 4,7
80 24,2 4,6
100 24,4 4,5
120 24,6 4,4
140 24,4 4,4
160 23,9 4,3
180 23,9 4,2
200 23,5 4,2
Среднее значение нанотвердости измеряли по наиболее стабильным результатам на глубине 100 - 200нм и для исходного полированного образца составило 4,09 ГПа. Среднее значение нанотвердости для образца с покрытием составило 23,19 ГПа. Разброс в полученных данных по 10 измерениям для исходного образца равен 22,43% и с нанопокрытием - 29,11%. Меньший разброс характерен для исходного образца и это связано с тем, что после полировки происходит наклеп, приводящий к упрочнению, уплотнению и созданию более однородной структуры металла.
В табл. 1 приведены средние значения нанотвердости исходного образца и с нанопокрытием в зависимости от глубины внедрения наноиндентора (рис.4).
Скачкообразное изменение свойств в полученных зависимостях от 0 до 30 нм связано с упругими свойствами материала. Перегиб на кривой соответствует переходу в упруго - пластические деформации в отпечатке на участке от 30 до 60 нм и пластические - свыше 60 нм.
Глубина проникновения индеитора, нм Глубина проникновения индентора, нм
а б
Рис.4. Изменение нанотвёрдости в зависимости от глубины внедрения индентора для исходного образца (а) и с нанопокрытием С^ (б)
Полученные зависимости модуля упругости от глубины внедрения индентора в металл представлены на рис. 5.
Рис.5. Зависимость модуля упругости от глубины внедрения индентора для исходного образца (а) и с нанопокрытием СгЫ (б)
По результатам испытаний среднее значение модуля упругости для образца с покрытием С^ составило 281,19 ГПа, при этом разброс полученных данных достигает 20,96% за счет формирования нитридсодержащих включений. Среднее значение модуля упругости
для исходного образца составило 204,7 ГПа с разбросом данных 10,1%.
При анализе механических свойств покрытий оценивали стойкость материалов к упругой деформации разрушения, используя величину отношения твердости к модулю упругости Н/Е, называемую индексом пластичности. [8]. Также оценивали сопротивление материала пластической деформации (Н3/Е2) [9]. Полученные основные механические характеристики представлены в табл.2.
Таблица 2. Физико-механические характеристики образцов
Образец № измерения Физико-механические характе ристики
Н, ГПа Е, ГПа Н/Е Н3/Е2, ГПа
Исходный 1 3,915 204,382 0,019 0,0014
2 5,01 217,567 0,023 0,0027
3 3,727 204,496 0,018 0,0012
4 4,084 184,049 0,022 0,0020
5 3,872 203,588 0,019 0,0014
6 3,99 205,773 0,019 0,0015
7 3,61 198,272 0,018 0,0012
8 4,559 202,134 0,023 0,0023
9 3,8 209,751 0,018 0,0012
10 4,355 217,001 0,020 0,0018
С нанопокрытием СгЫ 1 24,288 280,309 0,087 0,182
2 20,902 266,076 0,079 0,129
3 20,778 250,284 0,083 0,143
4 22,79 288,925 0,079 0,142
5 22,13 272,315 0,081 0,146
6 19,429 251,658 0,077 0,116
7 28,199 324,078 0,087 0,214
8 29,946 340,121 0,088 0,232
9 22,527 270,986 0,083 0,156
10 20,959 267,122 0,078 0,129
Из табл.2 видно, что с нанопокрытием все показатели значительно выше, чем у исходного материала. Это свидетельствует о повышении упруго -пластических свойств такого изделия.
Сопротивление пластической деформации металла ножа с покрытием С^ увеличилось в 93 раза по сравнению с исходным.
Упругое восстановление оценивали по величине относительного изменения глубины отпечатка (см. рис.1.) при снятии нагрузки по формуле:
Ж =■
f -h„,
■* 100%
(1)
"тах
Зависимость упругого восстановления We (1) от глубины внедрения представлены в табл.3.
Таблица 3. Упругие свойства образцов
Глубина внедрения индентора, нм Упругое восстановление, %
исходный образец с нанопокрытием CrN
200 15 52
1000 12 24
Из табл. 3 видно, что максимальное упругое восстановление характерно для нанопокрытия при глубине внедрения индентора 200 нм. При этом, с увеличением нагрузки на образец и глубины индентирования наблюдается существенное снижение данного показателя. Упругое восстановление исходного металла незначительно изменяется при увеличении глубины индентирования и не превышает 12%, а с нанопокрытием снижается в 2 раза.
Выводы
На основе анализа соответствующих диаграмм нагружения при наноиндентировании получены основные физико - механические характеристики исходного образца и с нанопокрытием CrN. Полученные данные свидетельствует о повышенном уровне физико -механических свойств покрытия.
Показано, что нанопокрытие обладает более высоким уровнем нанотвердости и достигает 23,19 ГПа. При этом нанотвердость исходного образца не превышает 4,09 ГПа.
По результатам испытаний среднее значение модуля упругости для образца с покрытием CrN составило 281,19 ГПа, при этом для исходного - 204,7 ГПа.
Сопротивление пластической деформации металла ножа с покрытием CrN увеличилось в 93 раза по сравнению с исходным.
Список литературы
1. Мощенок В.И. Методы определения твердости материалов/ В.И.Мощенок, Н.А. Лазарова, В.П. Тарабанова. - Х.:НТМТ, 2014. -308с.
2. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. - М.: Машиностроение, 2007. - 496 с.
3. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. - М.: Машиностроение, 2009. - 312с.
4. Штанский Д.В. Особенности структуры и физико-механических свойств наноструктурных тонких пленок/Д.В. Штанский, С.А. Кулинич, Е.А. Левашов, J.J. Moore ФТТ, том 45, вып. 6, 2003. - С. 1122- 1129.
5. Oliver W.C. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments/ W.C. Oliver, G.M. Pharr, //J. Mater. Res. - 1992.- Vol. 7, No. 6. - P. 1564-1583.
6. С.Н. Дуб, Н.В. Новиков. Испытания твердых тел на нанотвердость // Сверхтвердые материалы. 2004, № 6
7. Oliver W., Pharr G. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology//J. Mater. Res. - 2004. - Vol. 19, № 1. - P. 3-20.
8. Фирстов С.А., Горбань В.Ф., Печковский Э.П.,Мамека Н.А. Связь прочностных характеристик материалов с показателями автоматического индентирования//Методы анализа и испытаний материалов. Материаловедение. - 2007. - С. 26-31.
9. Г.Н. Толмачёва, А.С. Куприн. Применение метода наноиндентирования для исследования механических свойств сверхтвёрдых покрытий на основе нитрида титана ФИП, т. 9, № 2, -2011. - С. 157-163.
Скобло Т. С., д.т.н., профессор, Романюк С. П., аспирант, Сидашенко А.И., к.т.н., профессор
INVESTIGATION OF THE PROPERTIES OF NANOCOATING ON THE CUTTING TOOL BY NANOINDENTATION METHOD
Abstract. Properties of the cutting tools base metal with CrN nanocoating by nanoindentation method were investigated. It is shown, that the nanohardness of base metal is 4.09 GPa, with CrN nanocoating - 23,19 GPa, which provides higher physical - mechanical properties of the tool.
Keywords: cutting tool, coating, nanohardness, chromium nitride, physical - mechanical properties
Skoblo T.S., Romaniuk S.P., Sidashenko A.I.
