Новые износостойкие покрытия для режущего инструмента Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.9.025

А. В. ЧИХРАНОВ

НОВЫЕ ИЗНОСОСТОЙКИЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Лрёдлоэ/сены новые износостойкие покрытия для режущего инструмента. Приведены результаты ис следований химического состава, структурных и механических свойств износостойких покрытий. Показана эффективность применения реэ/сущего инструмента с разработанным покрытием при обработке заготовок из конструкционных легированных сталей.

Широкое применение в машиностроении, в частности в инструментальном производстве, находят износостойкие покрытия, получаемые конденсацией вещества в вакууме с ионной бомбардировкой (КИБ). Наибольшую эффективность при этом имеют покрытия сложного состава на основе нитрида титана, легированного цирконием, алюминием, молибденом, хромом, железом, кремнием и др.

В работах [1 - 4] показано, что легирование покрытий N приводит к изменению их структурных параметров (периода кристаллической решётки а, полуширины рентгеновской -линии рш) и механических свойств (остаточных напряжений сг0, микротвёрдости Нм, коэффициента отслоения К0) (табл. 1), что влияет в конечном итоге на работоспособность режущего инструмента.

Как видно из табл. 1, влияние легирующих элементов на механические свойства покрытия различно. Во всех случаях покрытия сложного состава имеют большую микротвердость, что связано с их твёрдора-створным упрочнением. Легирование цирконием, молибденом, хромом и кремнием ведёт к повышению сжимающих остаточных напряжений при снижении прочности сцепления покрытия с инструментальной основой, что проявляется в увеличении коэффициента отслоения. Легирование железом увеличивает прочность сцепления покрытия с инструментальной основой и снижает величину остаточных сжимающих напряжений. Легирование алюминием приводит к повышению прочности снепления покрытия с инструментальной основой и сжимающих напряжений.

В связи с вышесказанным представляет интерес оценка влияния двух легирующих элементов на свойства покрытий из нитрида титана.

Исследовали влияние состава покрытий на основе нитрида титана - Т1Ме1Ме2К (где Меь Ме2 - легирующие элементы) на параметры структуры, микро-твёрдость, прочность сцепления с инструментальной основой и работоспособность режущего инструмента. Согласно работам [1 - 4], наибольшую работоспособность режущего инструмента обеспечивают покрытия на основе нитрида титана, легированные алюминием и цирконием. Поэтому именно эти металлы были выбраны в качестве легирующего элемента Ме^ В качестве Ме: использовали алюминий, молибден, хром, железо, цирконий, кремний, применяемые при конст-

руировании покрытий. Эти последние наносили на установке «Булат-бТ», снабжённой тремя испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. При этом два противоположно расположенных составных катода-испарителя для нанесения покрытий на основе нитрида титана изготавливали из титанового сплава со вставкой из легирующего элемента Ме]. Третий составной катод содержал титан и легирующий элемент Ме2. Исследования структурных параметров, механических свойств покрытий и работоспособности режущего инструмента с разработанными покрытиями проводили по методикам работы [1]. Микротвёрдость покрытий измеряли по методике работы [5]. Химический состав покрытия определяли на рентгеновском микроанализаторе МАР-4 с учётом 21АР-поправки.

1. Структурные и механические свойства режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе нитрида титана

Покрытие Содержание легирующего элемента, %, мае. а, нм Риь град. % МПа ГПа Ко

-Ш — 0,4235 0.49 0 -775 29,16 1,07

15,63 0,4293 0,55 -1256 38,65 11,32

ш 17,55 0.4230 * 0,57 -902 38,39 0,91

ТЖоЬ1 13,99 0,4251 0,53 -1073 34,92 1,93

ТЮгК 21,70 0,4224 0,60 -1490 34.52 1,46

Т1РеМ 0,85 0,4234 0,51 -697 33,20 0,82

1,25 0,4256 0,60 -1069 36,45 1.49

Примечание: \тструмеятальный материал - МК8.

Результаты исследований структурных параметров, микротвёрдости Нм и коэффициента отслоения К0 покрытий представлены в табл. 2.

Установлено, что все рассматриваемые покрытия являются однофазными с ГЦК-решёткой, аналогичной решётке нитрида титана. Изменение периода кристаллической решётки в зависимости от содержания легирующего компонента носит различный характер и зависит от химического взаимодействия атомов легирующих элементов как с атомами титана

© А. В. Чихранов, 2004 Вестник УлГТУ 3/2004

и азота, так и между собой. С ростом содержания легирующего элемента Ме2 в покрытиях TiZrAlN и TiAlZrN увеличивается период кристаллической решётки, в то время как в остальных покрытиях он уменьшается.

С увеличением содержания легирующего элемента Ме2 возрастают значения полуширины рентгеновской линии ßIM всех покрытий, что свидетельствует об увеличении степени микродеформации кристаллической решётки, что, как следствие, приводит к росту микротвёрдости. Максимальное увеличение микротвёрдости в зависимости от легирующего элемента Ме2 составляет 11 - 20 % для покрытий на основе нитрида титана и циркония и 14 - 23 % для покрытий на основе нитрида титана и алюминия.

Увеличение содержания железа в покрытиях TiZrFeN и TiAlFeN ведёт к снижению остаточных сжимающих напряжений и коэффициента отслоения, что свидетельствует об увеличении прочности сцепления покрытий с инструментальной основой. Наличие хрома, молибдена или кремния в покрытиях на основе нитрида титана и циркония и нитрида титана и алюминия приводит к росту остаточных сжимающих напряжений при снижении прочности сцепления покрытия с инструментальной основой. Увеличение содержания циркония в покрытии на основе нитрида титана и алюминия приводит к росту остаточных сжимающих напряжений. При этом также увеличивается коэффициент отслоения покрытия, что свидетельствует о снижении его адгезионной прочности. Легирование покрытия на основе нитрида титана и циркония алюминием способствует увеличению остаточных сжимающих напряжений. При этом также повышается прочность сцегтленргя покрытия с подложкой.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что изменение механических свойств (микротвёрдости и коэффициента отслоения) и остаточных сжимающих напряжений при легировании одинаковыми элементами покрытий из нитрида титана (см. табл. 1), титана и циркония или титана и алюминия (см. табл. 2) имеет аналогичный характер. Однако влияние легирующих элементов на изменение механических свойств при легировании более сложных покрытий TiZrN и TiAlN проявляется в меньшей степени, чем для покрытий TiN.

Работоспособность инструмента из твёрдого сплава МК8 оценивали по интенсивности износа по задней поверхности при продольном точении заготовок из конструкционной легированной стали 30ХГСА (режимы резания: V = 180 м/мин; S0 = 0,15 мм/об; t = 0,5 мм) и нержавеющей стали аустенитного класса 12Х18Н10Т (V = 150 м/мин; S0 = 0,15 мм/об; t = 0,5 мм) (рис. 1 и 2).

2. Структурные и механические свойства режущего инструмента с износостойкими покрытиями

Покрытие Содержание легирующего элемента Me2) %, мае. а, нм ßm, град. fö, МПа нм, ГПа Ко

TiZrAIN 6,36 0,4302 0,66 -1393 45,72 0,92

9,25 0,4305 0,67 -1413 46,39 0,88

TiZrMoN 2,40 0,4289 0,59 -1491 41,26 1,46

4,73 0,4287 0,61 -1599 42,76 1,53

TiZrCrN 1,44 0,4287 0,59 -1324 40,36 1,41

6,09 0,4282 0,63 -1413 44,66 1,55

11,28 0,4279 0,63 -1422 45,25 1,58

TiZrFeN 0,49 0,4290 0,61 -1207 40,76 1,11

0,94 0,4290 0,67 -114S 42,14 1,01

1,35 0,4289 0,65 -1138 42,32 0,98

TiZrSiN 0,25 0,4291 0,62 -1589 41,29 1,42

0,49 0,4291 0,64 -1648 43,60 1,49

0,84 0,4289 0,66 -1746 44,38 1,55

TiAlFeN 0,43 0,4223 0,64 -824 42,72 0,84

0,85 0,4219 0,68 -804 43,70 0,81

1,21 0,4214 0,66 -804 43,73 0,80

TiAJMoN 2,08 0,4227 0,62 -1089 42,55 1,23

4Д2 0,4226 0,64 -1177 43,96 1,44

TiAlCrN 1,35 0,4226 0,60 -1265 41,25 1,09

5,96 0,4214 0,68 -1628 46,48 1,22

11,12 0,4221 0,65 -1472 45,62 1,30

TiAlZrN • • 4,61 0,4237 0,63 -1324 42,67 1,08

12,17 0,4245 0,73 -1648 46,39 1,26

23,39 0,4246 0,71 -1570 45,72 1,36

TiAlSiN 0,25 0,4229 0,69 -1295 43,17 1,06

0,49 0,4228 0,72 -1648 46,41 1.22 л

0,83 0,4224 0,74 -1609 46,88 1,28

Как видно из рис. 1, применение покрытий на основе нитрида титана и алюминия приводит к снижению износа режущего инструмента. При этом зависимости интенсивности изнашивания от содержания легирующего элемента Ме2 носят экстремальный характер.

Наиболее эффективным при обработке заготовок из стали ЗОХГСА оказались покрытия TiAlSiN, TiAlZrN и TiAlCrN; при обработке заготовок из стали 12X18Н1 ОТ - TiAlSiN и TiAlZrN.

Для покрытий на основе нитрида титана и циркония (см. рис. 2) зависимости интенсивности изнашивания от содержания легирующего элемента Ме2 аналогичны. При этом наибольшую эффективность показывают покрытая, легированные алюминием и кремнием.

0,26 0,24

А 0,22

J- КГ1

0,20 0,18 0,16 0,14,

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

Mo Сг

0 О Л 0;2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Sl •J * ■ ■ ■ ■ u Zr

о

-V

4

ш9т

6

8

10 12

О

8 12 % мае.

а

16 20 24

0,90

О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

О

8

10

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Сг

12

■ Si

О

8 12 % мае.

б

16 20 24

Zr

0,24 0,22 А 0,20

J- 1С4

0,18 0,16 0,14

0,12

0,2 0,4 0,6 0,8

О

1

3

5

Fe Mo

О

■ ■ --- Сг

6 8 10 12

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,S 0,9

Si

О

-v

2

8

■ А1

10

% мае.

а

0,2 0,4 0,6 0,8

О

1

4

5

О

8

10 12

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0.8 0,9

О

4 6

% мае. —

8

10

Fe

Mo

Сг

Si A1

б

Рис. I. Влияние содержания легирующего элемента Ме2 на интенсивность изнашивания режущего инструмента с покрытиями на основе нитрида титана и алюминия: 1 - TiAlFeN; 2 - TiAlMoN; 3 -TiAlCrN; 4 - TiAlSiN; 5 - TiAlZrN при обработке заготовок из сталей 30XFCA (а) и 12X18Н10Т (б)

Таким образом, легирование покрытий на основе нитрида титана двумя элементами позволяет получить покрытия с более высокими механическими характеристиками, что способствуют повышению износостойкости режущего инструмента. Так интенсивность износа твердосплавного режущего инструмента с разработанными покрытиями на основе нитрида титана и алюминия и нитрида титана и циркония снизилась при обработке заготовок из стали ЗОХГСА в 1.3 - 1,8 раза и в 1.2 - 1.7 раза при обработке заготовок из стали 12Х18Н10Т по сравнению с соответствующими покрытиями TiAIN и TiZrN.

Рис. 2. Влияние содержания легирующего элемента Ме2 на интенсивность изнашивания режущего инструмента с покрытиями на основе нитрида титана и циркония: 1 - Пг^еХ: 2 - ШгМоК; 3 - Т^гСгК; 4 - 5 - ТгггАЖ при обработке заготовок из

сталей ЗОХГСА (а) и 12Х18Н10Т (б)

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Табаков, В. П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана / В. П. Табаков. -Ульяновск: УлГТУ, 1998. - 123 с.

2. Табаков, В. П. Исследование износостойкости покрытий режущего инструмента, полученных с применением составных катодов // СТИН. - 1996. -№3. - С. 14-17.

3. Табаков, В. П. Применение покрытий на основе нитридов титана и кремния для повышения рабо-

тоспособности режущего инструмента / В. П. Табаков, А. В. Чихранов // Современные тенденции развития автомобилестроения в России. Труды Всероссийской научно-технической конференции. - Тольятти: ТГУ, 2003. - С. 456 -457.

4. Табаков, В. П. Исследование параметров структуры и механических свойств покрытий, полученных из составных катодов / В. П. Табаков, А. В. Чихранов, С. С. Порохин // Материалы и технологии XXI века: Сборник статей II Международной научно-

технической конференции. - Пенза, 2004. - С. 21-24.

•

5. Korsunsky, A. M. On the hardness, of coated systems / A. M. Korsunsky, M. R. McGurk, S. J. Bull, T. F. Page // Surface and Coatings Technology 99, 1998. P. 171 - 183. . '

Чихранов Алексеи Валериевич, инженер кафедры «Металлореусущие станки и инструменты» УлГТУ. Имеет статьи в области технологии нанесения износостойких покрытий методом КИБ.

%

t