CC BY
62
УДК 621.793.72:621.9.02
Д-р техн. наук И. Л. Поболь, А. Г. Дениженко, Е. В. Станкевич, С. О. Селифанов
Научный инженерный центр «Плазмотег» Физико-технического института Национальной академии наук Беларуси, г. Минск
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ИЗНОСОСТОЙКИЕ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ИНСТРУМЕНТЕ И ДЕТАЛЯХ МАШИН
Исследованы структура, состав и физико-механические свойства полученных методом вакуумно-дугового осаждения многослойных композиций Л-ЛСО и Л-ТШ-ТШСО-ЛСО в зависимости от условий осаждения. Покрытия характеризуются наноструктурой с размерами зерен 15x50 нм и развитым рельефом поверхности с шероховатостью 50—120 нм. В поверхностном слое покрытий присутствуют карбид и оксиды титана. Соотношение фаз меняется при изменении величины давления реакционного газа. Покрытия обладают твердостью 12—120 ГПа, износостойкостью
10-6-10-7
мм3/Н-м, коэффициентом трения 0,12-10,58. Покрытия, нанесенные на инструмент из быстрорежущей стали и твердых сплавов, повышают его работоспособность в 3 и более раз. Для упрочнения инструмента и деталей машин наиболее эффективно использовать многослойные наноструктурирован-ные покрытия различного состава и многофункционального назначения.
Ключевые слова: покрытие, вакуумно-дуговое осаждение, многослойные нанострукту-рированные покрытия, структура.
Введение
В настоящее время благодаря своим уникальным свойствам наноструктурированные покрытия успешно используются для упрочнения поверхности изделий и инструмента, подвергающихся одновременному воздействию высоких температур и различных видов износа. Это, прежде всего, режущий и штамповый инструмент, детали авиационных и автомобильных двигателей, газовых турбин и компрессоров.
Наиболее широкие перспективы для получения наноструктурированных покрытий открываются с использованием вакуумно-плазменных технологий, в частности, метода вакуумно-дугового осаждения [1, 2]. Высокие степень ионизации, плотность потока и энергия осаждающихся частиц оказывают существенное влияние на кинетику образования покрытий и позволяют получать высококачественные композиции на основе тугоплавких металлов и их соединений при температурах, не превышающих 500 ° С. При этом возможно достаточно гибко регулировать плотность плазменного потока и энергию осаждающихся частиц; с высокой степенью точности управлять давлением и составом реакционного газа, степенью фокусировки плазменного потока и его сепарированием от микрокапельной фракции.
В своем развитии износостойкие покрытия прошли этапы от простых однокомпонентных, однослойных, создаваемых на основе металлов и их
соединений до многокомпонентных и многослойных, включающих слои как простого, так и сложного состава [3]. Хорошо известно, что уже первыми исследованиями по нанесению на инструмент слоев ПК [4—6] была показана возможность повышения его стойкости. Началось масштабное использование оборудования и технологий в бывшем СССР, затем в других странах. Однако, как показал опыт, при этом должны неукоснительно соблюдаться несколько требований: правильно выбран материал основы (стали или твердого сплава) высокого качества; проведена соответствующая термическая обработка стали; правильно выполнена заточка лезвия инструмента и обработаны кромки; выполнен весь регламент химической очистки инструмента; соблюдены режимы осаждения покрытия без перегрева инструмента; правильным образом назначены и выполнены режимы резания для конкретного типа покрытия и обрабатываемого материала; налажен тщательный контроль эффективности использования упрочненного инструмента для возможного корректирования технологического процесса. К сожалению, в 1970—1990-х годах на предприятиях (и на некоторых современных, даже достаточно крупных и использующих вновь приобретенное импортное оборудование) далеко не все из перечисленных требований выполнялись. Это привело к частичной дискредитации метода упрочнения изделий посредством нанесения на них покрытий.
© И. Л. Поболь, А. Г. Дениженко, Е. В. Станкевич, С. О. Селифанов, 2014
Перспективы создания покрытий с улучшенными характеристиками связаны с использованием новых видов многослойных структур, слои которых выполняют разнообразные функции — адгезионную, барьерную, противоизносную, антифрикционную. Особый интерес представляют многослойные композиции с наноразмерной структурой, т. к. такие покрытия удовлетворяют гамме зачастую противоречивых требований (обеспечение низкого трения, высокой износостойкости, барьерных функций диффузии, тепловым потокам при соблюдении высокой прочности межслойной адгезии и снижении уровня внутренних напряжений). Соединения металлов с кислородом, азотом, углеродом, имеющие высокую температуру плавления и высокую термическую стабильность, по-видимому, станут основными компонентами тонкопленочных материалов будущего, поскольку позволят создавать наномате-риалы, стабильно работающие и не меняющие свои свойства в течение всего срока эксплуатации.
Нами разработана серия многослойных, многокомпонентных, нанокомпозиционных покрытий толщиной 0,2x3,0 мкм. Варианты структур покрытия представляют собой различные комбинации тонкопленочных слоев или наноком-позиты из тугоплавких металлов, их нитридов, карбидов, карбонитридов, оксикарбонитридов и алмазоподобного углерода [7].
В работе приводятся результаты исследования структуры, состава и механических свойств двух вариантов металл-азот-углерод- содержащих многослойных покрытий в зависимости от параметров процесса вакуумно-дугового осаждения.
Экспериментальная методика
Разработанные нами покрытия представляют собой многослойные композиции, состоящие из чередующихся слоев Т1-Т1СО и Ti-TiN-TiNCO-Т1СО. Нанесение покрытий осуществлялось на вакуумной установке УВНИПА-1-001 с использованием стационарного источника вакуумно-дуговой плазмы с катодом из титана, распыляемого в атмосфере реакционных газов (азота и углекислого газа) при пониженном давлении с сепарированием плазменного потока от микрокапельной фракции. Покрытия наносили на подложки из монокристаллического кремния размерами 9x9 мм (для определения химического состава и структуры покрытий) и быстрорежущей стали Р6М5 размерами 20x20 мм (для измерения микротвердости и проведения трибологи-ческих исследований). Для проведения промышленных испытаний проводилась упрочняющая обработка режущего металлообрабатывающего инструмента из быстрорежущей стали Р6М5 и деревообрабатывающего инструмента из твердо-
го сплава TO4F. Инструмент и подложки подвергались двухстадийной очистке в вакууме: сначала потоком ионов инертного газа (аргона), а затем потоком ионов титана в прерывистом режиме. Такой режим очистки позволяет удалить практически все загрязнения с поверхности, исключить возникновение на ней микродуг, а также избежать перегрева и отпуска режущих кромок инструмента. При этом дополнительно осуществляется нагрев инструмента до 200—400 ° С, положительно влияющий на адгезию покрытия. Давление газов изменяли в диапазоне 0,02—1 Па. Толщина слоев составляла 0,1—0,5 мкм; общая толщина покрытий — до 2—3 мкм.
Структура, состав покрытий исследовались методами просвечивающей электронной микроскопии (электронный микроскоп JEM-200CX), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (электронный спектрометр ЭС-2402), энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа (сканирующий электронный микроскоп Philips SEM-515 с приставкой для определения элементного состава Genesis 2000). Морфология поверхности сформированных покрытий изучалась методом атомно-силовой микроскопии на сканирующем зондовом микроскопе Nanoscope IIID. Микротвердость покрытий определялась методом восстановленного отпечатка на твердомере ПМТ-3 с помощью пирамиды Кнупа. Измерение трибологических характеристик покрытий проводилось в режиме сухого трения скольжения на трибометре, работающем по схеме «палец-диск». Скорость вращения образца — 60 об/мин, в качестве контртела использовался шарик радиусом 5,515 мм из стали ШХ-15, нагрузка — 1,0 Н.
Результаты исследования и их обсуждение
Разработанные покрытия имеют высокодисперсную поликристаллическую структуру со средними размерами зерен ~ 15—50 нм (рис. 1).
Исследования химического состава поверхностного слоя покрытий показали, что в рентгеновских фотоэлектронных спектрах С 1s кроме основной линии с энергией связи (284,6±0,1) эВ, соответствующей С—С-связям, при разложении
Рис. 1. Микроструктура покрытий Ti-TiN-TiNCO-TiCO,
х 60000
спектра на составляющие наблюдаются дополнительные пики (рис. 2, а). Наличие максимума в области 282—283 эВ может указывать на присутствие связей атомов титана с атомами углерода в соединениях типа карбидов, стехиометрического Т1С (282,3 эВ) и нестехиометрического Т1СХ (283,6 эВ). Максимумы в области энергии связи 286"288 эВ соответствуют связям С-О, С=О и характеризуют образование оксифункциональных групп углерода (СО, СОх). Максимум пика Т12рз/2 (рис. 2, б) приходится на энергию (458,2+0,1) эВ, который соответствует стехиометрическому ТЮ2. Кроме того, наблюдается четкий максимум в области (454,5+0,1) эВ, близкий к энергии связи в стехиометрическом карбиде титана ТЮ. Разложение спектра титана позволяет выделить еще
пики в области 456—457 эВ, которые можно отнести к оксидам титана ТЮХ, где х < 2. Спектры 018 соответствуют химическому состоянию кислорода в оксидах титана ТЮ2 и ТЮХ.
Соотношение элементов в покрытии практически не меняется при изменении давления реакционных газов (рис. 3, а). Соотношение фаз (карбида и оксидов титана) меняется при измене -нии величины давления углекислого газа. В зависимости от режимов нанесения доля карбидной фазы составляет 15—30 % для композиции Т1-Т1К-Т1КСО-ТЮО и 6-20 % для композиции Т1-Т1СО (рис. 3, б). С ростом давления реакционного газа от 0,02 до 0, 5 Па содержание сте-хиометрического карбида титана в покрытиях уменьшается (рис. 3, в).
Рис. 2. Разложение РФЭ спектра С1в (а) и И2р (б) покрытий И-ИСО, полученных при различных давлениях
углекислого газа
а
ОА 4,1 ОД ОЯг ОЛ
Даьленне газа. Па
в
Рис. 3. Зависимость химического состава (а), доли углерода в карбидной связи (б) и доли стехиометрического карбида углерода в покрытии Т1-Т1СО (в) от давления газа
Исследованные покрытия имеют развитый рельеф поверхности. Среднеквадратическая шероховатость поверхности составляет 50—120 нм, однако, встречаются участки с более развитым рельефом с шероховатостью 150—230 нм. Возможно, неоднородность рельефа связана с присутствием макродефектов на поверхности и ростом в покрытиях карбидной фазы. Наименьшей шероховатостью ~ 50 нм обладают многослойные композиции, полученные при давлении реакционного газа ~ 0,2—0,3 Па.
В зависимости от режимов осаждения микротвердость покрытий составляет 12—20 ГПа. С увеличением доли карбидной фазы в поверхностном слое покрытий их микротвердость возрастает. Наибольшая микротвердость композиции Т1-Т1СО наблюдается при давлении углекислого газа 0,2 Па и доле карбидной фазы титана 20,6 ат. %. Максимальная твердость композиции Ti-TiN-TiNCO-TiCO обнаруживается при давлении газа 0,25—0,3 Па и составляет ~ 20 ГПа.
Износостойкость обоих типов покрытий находится в диапазоне 10-6-10-7 мм3/Н-м. Наблюдается зависимость коэффициента трения и износостойкости от параметров осаждения и толщины слоев. С увеличением давления реакционного газа от 0,02 Па до 0,3 Па коэффициент
трения уменьшается и достигает минимального значения ~ 0,1. Дальнейшее увеличение давления углекислого газа до 1,0 Па приводит к увеличению коэффициента трения до 0,4. Максимальной износостойкостью обладают многослойные композиции Ti-TiN-TiNCO-TiCO, у которых слой TiN в два раза толще слоев TiNCO и ТЮО.
При трибологических испытаниях в режиме сухого трения скольжения на ранних стадиях испытаний регистрируется равномерный износ поверхностного слоя. В зависимости от условий осаждения коэффициент сухого трения после выхода на режим достигал значения ~ 0,12-0,58 для композиции ТЬТЮО (рис. 4, а) и ~ 0,2-0,4 для композиции Ti-TiN-TiNCO-TiCO (рис. 4, б), затем не изменялся, что свидетельствовало о стабильности поведения образцов и их высокой износостойкости. На более поздних стадиях испытаний после пути трения 500 м интенсивность износа заметно возрастает, что, по нашему мнению, связано с утонением покрытий и выходом в поверхностные слои структурных микро-неоднородностей. Повышенные трибологические характеристики многослойных покрытий, по-видимому, обусловлены формированием в них структуры с размером элементов 20-50 нм.
Рис. 4. Зависимость коэффициента трения от количества циклов скольжения покрытий Т1-Т1СО (а) и Т1-Т1К-Т1КСО-Т1СО (б)
а
Производственные испытания инструмента
Производственные испытания инструмента (рис. 5) с разработанными покрытиями, проведенные на ряде предприятий Республики Беларусь, в том числе ОАО «ТАиМ» (г. Бобруйск), ОАО «Барановичидрев» и ОАО «Лагуна» (г. Ба-рановичи), подтвердили их высокую работоспособность (табл. 1). Из полученных результатов видно, что во всех случаях стойкость инструмента с покрытиями, полученными вакуумно-дуговым осаждением, выше, чем стойкость неупроч-ненного инструмента. Эксплуатационная стойкость инструмента с покрытием при обработке деталей из стали 35, 40, 40Х возрастает в 3 и более раз. Улучшается качество обработки (отсутствие налипания фрагментов обрабатываемого материала; повышение качества отверстий и фрезеруемых дорожек), уменьшается время обработки, время на переналадку оборудования.
Изучение характера разрушения покрытий после проведения испытаний инструмента позволило установить, что выход инструмента из строя (изнашивание его режущей кромки) про-
исходит за счет его истирания в процессе резания. Инструмент с многослойной композицией Т1-Т1К-Т1КСО-Т1СО имеет наименьший износ режущей кромки. Положительные результаты испытаний обусловлены достаточной адгезией покрытий к инструментальной основе, их высокими микротвердостью, износостойкостью и возможностью целенаправленно формировать многослойные наноструктурированные композиции.
Формирование в покрытиях мелкодисперсной структуры может явиться фактором, сдерживаю -щим зарождение и рост усталостных трещин в объеме материала покрытия. При нанострукту-рировании поверхностного слоя его прочность будет определяться долей наноструктурной составляющей и средним размером нанозерен. Чем больше доля наноструктурной составляющей и меньше размер нанозерен в покрытии, тем выше его прочность. Кроме того, присутствующий в поверхностном слое покрытия карбид титана повышает твердость и износостойкость системы, а фаза оксида титана обеспечивает стойкость к диффузии кислорода в глубь покрытия.
аб Рис. 5. Износостойкие покрытия на режущем инструменте для металлообработки (а) и деревообработки (б)
Таблица 1 — Результаты испытаний инструмента с покрытием
Марка инструмента Обрабатываемый материал Количество обрабатываемых деталей на одну единицу инструмента (контрольный образец) Количество обрабатываемых деталей на одну единицу инструмента (образец с покрытием) Увеличение срока службы, раз
Метчик М10х1,5, сталь Р6М5 сталь 35 ГОСТ 1050-88 230-260 580-600 2,4
Метчик, сталь Р6М5 сталь 35 ГОСТ 1050-88 100 300 2-3
Сверло MWS 1400 MB 0 13 мм, сталь HSS сталь 40Х ГОСТ 4543-71 100 290 3
Сверло MZE 13000 SA 0 14 мм сталь HSS сталь 40Х ГОСТ 4543-71 100 150 1,5
Резец профильный призматический, сталь Р6М5 сталь 40Х ГОСТ 4543-71 5000 50000 10
Твердосплавные режущие пластины 13x12x0,5 мм, твердый сплав Т04F Древесина, дверные панели, ель, сосна 100 540 5,4
Выводы
Таким образом, при выбранных условиях проведения процесса вакуумно-дугового осаждения (диапазоне давлений реакционных газов) можно целенаправленно формировать многослойные наноструктурированные композиции Т1-Т1СО и Т1-Т1К-Т1КСО-Т1СО со стабильными физико-механическими характеристиками на изделиях из быстрорежущей стали и твердых сплавов. В поверхностном слое покрытий присутствуют карбид и оксиды титана. Соотношение фаз меняется при изменении величины давления реакционного газа. Максимальное содержание углерода в карбидной связи достигается при давлении углекислого газа 0,2—0,25 Па. С увеличением доли карбидной фазы в покрытиях возрастает их микротвердость. Максимальная микротвердость ~15-20 ГПа достигается при давлении газа 0,2—0,3 Па. В зависимости от условий осаждения коэффициент трения составляет 0,1—0,6. Минимальный коэффициент сухого трения обеспечивается при давлении реакционного газа ~ 0,3 Па.
Разработанные наноструктурированные многослойные композиции Т1-Т1СО и Т1-Т1К-Т1КСО-ТЮО, имеющие мелкодисперсную структуру, высокие твердость и износостойкость, низкий коэффициент трения, весьма перспективны в качестве упрочняющих покрытий на металло-и деревообрабатывающем инструменте, деталях машин. Наиболее благоприятное сочетание микротвердости и прочности сцепления с инструментальной основой способствует повышению работоспособности режущего инструмента с покрытием.
Создание покрытий нового поколения для упрочнения инструмента и деталей машин наиболее эффективно осуществлять с использованием многослойных наноструктурированных ва-куумно-плазменных композиций различного состава и многофункционального назначения.
Список литературы
1. Точицкий Э. И. Получение износостойких ал-мазоподобных углеродных покрытий из импульсных потоков дуговой плазмы и их промышленное применение / Точицкий Э. И. // Химическая техника. — 2005. — № 5. — С. 22— 26.
2. Нанокомпозиционные машиностроительные материалы: опыт разработки и применения / [ Точицкий Э.И., Авдейчик С.В., Кравченко В.И. и др.] ; под ред. В. А Струка. — Гродно : ГрГУ. - 2006. - 403 с.
3. Локтев Д. А. Основные виды износостойких покрытий / Локтев Д.А., Ямашкин Е.А. // Наноиндустрия. - 2007. - № 5. - С. 24-30.
4. Внуков Ю. Н. Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент / Внуков Ю. Н. - К. : Техника, 1992. - 143 с.
5. Верещака А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями / Верещака А С. - М. : Машиностроение, 1993. -336 с.
6. Андреев А. А. Прогрессивные технологические процессы в инструментальном производстве / Андреев А. А., Гаврилов А. Г., Падал-ка В. Г. - М. : Машиностроение, 1981. - 214 с.
7. Вакуумно-дуговые многослойные покрытия для повышения рабочего ресурса металлообрабатывающего инструмента / [ Поболь И. Л., Селифанов С. О., Станкевич Е. В., Райчик Я. ] // Пленки и покрытия - 2011 : труды 10-й
международной конференции (Санкт-Петербург, 31 мая - 3 июня 2011 г. ; под ред. В. Г. Кузнецова. - СПб : Изд-во Политехн. Ун-та, 2011. -С. 302-304.
Поступила в редакцию 18.04.2014
Поболь ГЛ., Дениженко А.Г., Станкевич 6.В., Селифанов С.О. Наноструктуроваш зносостшю вакуумно-плазмов1 покриття на шструментп i деталях машин
До^джено структуру, склад та фiзико-механiчнi властивостi, отриманих методом вакуумно-дугового осадження багатошарових покриттiв Ti-TiCO i Ti-TiN-TiNCO-TiCO в залежностi вiд умов осадження. Покриття характеризуються наноструктурою з розмi-рами зерен 15x50 нм i розвиненим рельефом поверхш з шорсткстю 50—120 нм. У поверх-невому шарi покриттiв присутш карбiд i оксиди титану. Спiввiдношення фаз змшюеться при змш величини тиску реакцшного газу. Покриття мають твердсть 12—20 ГПа, зно-состшксть
10-6-10-7
мм3/Н-м, коефщент тертя 0,12-0,58. Покриття, нанесет на iнструмент з швидкорiзальноi сталi i твердих сnлавiв, тдвищують його працездатшсть в 3 i бльше разiв. Для змщнення шструменту i деталей машин найбльш ефективно викорис-товувати багатошаровi наноструктурш покриттярiзного складу i багатофункцюнально-го призначення.
Ключовi слова: покриття, вакуумно-дугове осадження, багатошаровi наноструктуроваш покриття, структура.
Pobol I., Denizhenko A., Stankevich E., Selifanov S. Nanostructured durable vacuum-plasma coatings the tool and machine parts
Structure, conmposition and physico-mechanical properties of multilayer Ti-TiCO and Ti-TiN-TiNCO-TiCO coatings was investigated depending on deposition parameters. Coatings characterized by the nanostructure with a grain size of 15x50 nm and a developed surface relief with a roughness of 50-120 nm. There are titanium carbide and titanium oxides in the surface layer of the coatings. Phase ratio changes with changing pressure value of the reaction gas. Coatings have a hardness of 12-20 GPa, wear 10~6-10~7mm3/N-m, friction coefficient 0,120,58. Coatings deposited on high-speed steel and carbide-tipped tools improve its efficiency in 3 or more times. For hardening tools and machine parts it is most efficient to use multilayer nanostructured coatings of different composition and multifunctional purposes.
Key words: coating, vacuum-arc deposition, nanostructured multilayer coating structure.
