Оценка физико-механических и адгезионно-прочнос гных свойств карбонитридных покрытий Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

2. Якушев А. И., Мустаев Р. X., Мавлютов Р. Р. Повышение прочности и надёжности резьбовых соединений. М:: Машиностроение, 1979. 215 с.

3. Рыжов Э. В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. Киев: Наукова думка, 1984. 272 с.

4. Аскинази Б. М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой. М.: Машиностроение, 1989. 200 с.

Фёдоров Сергей Константинович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология металлов» Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии, окончил Ульяновский политехнический институт. Ведёт исследования технологии электромеханической обработки при изготовлении и восстановлении деталей машин.

Фёдорова Лилия Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Материаловедение и ОМД» УлГТУ} окончила Ульяновский политехнический институт. Область научных интересов - исследование технологии электромеханической обработки.

щ

УДК 621.9.0257 Н. А. ШИРМАНОВ

ОЦЕНКА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И АДГЕЗИОННО-ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ КАРБОНИТРИДНЫХ ПОКРЫТИЙ

Представлены исследования структуры и свойств карбонитридных покрытий. Анализы' руются параметры структуры, физико-механические и адгезионно-прочностные свойст во однофазных карбонитридных покрытии. Нанесение покрытий осуществлялось с помо щъю специально разработанных катодов.

Известны технологии упрочнения режущих инструментов (РИ) различ ными по составу ионно-плазменными покрытиями. В качестве легирующих материалов данных покрытий нередко используют дорогостоящие тугоплаи кие металлы - Сг, Мо, ИЪ и др., которые входят в состав сложных покры тий на основе нитридов и карбонитридов титана и обеспечивают высокую рп ботоспособность РИ при обработке резанием заготовок из различных матг риалов.

108

Вестник УлГТУ 1/2(10-'

Разработанные в УлГТУ специальные катоды, позволяющие заменять дорогостоящие материалы, используются при нанесении карбонитридных покрытий, которые отличаются более высокими эксплуатационными свойствами и относительно невысокой стоимостью по сравнению с аналогичными нитридиыми. В связи с этим представляет интерес исследование свойств карбонитридных покрытий, химический состав которых можно изменять с помощью газовых смесей, плавно варьируя структурой и свойствами самих покрытий.

Ниже представлены результаты исследования свойств карбонитридных покрытий типа ТЮМ, покрытий, полученных из составных катодов, типа (П-гг)СИ и (ТьРе)СИ, а также из литых катодов типа (ТьА1)СИ и (Ть81)СМ Покрытия наносили на установке «Булат-бТ», химический состав и конструкция литых и составных катодов были заранее оптимизированы. Технологические параметры процесса нанесения покрытий и их химический состав представлены в табл. 1, где М - материал катода, 1л - ток дуги, Хф - ток фокусирующей катушки. Толщина наносимых покрытий (5,5 - 6) мкм, расстояние от катодов до РИ Ьи = 260 мм, температура нагрева образцов 0К = (540 - 560)°С. Покрытия наносили на твердосплавные пластины типа ВКб (ГОСТ 19042-80), форма 2008-1058). Исследовали следующие параметры, отражающие изменение структуры, физико-механических и адгезионно-прочностных свойств покрытий: период кристаллической решётки а, полуширина рентгеновской линии рнь показатель текстурованности (1шЯ2оо)? остаточные макронапряжения а0, микротвердость коэффициент отслоения от инструментальной основы К0. При оценке износостойкости РИ с покрытием исследовали интенсивность

их изнашивания I при точении всухую заготовок из стали 30ХГСА на следующем режиме: V = 200 м/мин, 8 = 0,15 мм/об, I = 0,5 мм, ти = 15 мин.

Результаты исследований, представленные в табл. 2, свидетельствуют с том, что с изменением содержания ацетилена в газовой смеси существенно изменяются и параметры структуры покрытия ТЮЫ: период кристаллической решётки монотонно увеличивается с 0,4273 до 0,4354 нм, ширина рентгеновской линии Рш увеличивается с 0,5 до 1,85, текстура покрытия снижается со 110 до 0,6. Эти изменения обт^ясняются микродеформацией кристаллической решетки покрытия, вызванной твёрдорастворным упрочнением (введение в кристаллическую решетку Т1Ы атомов углерода через контролируемую газо-ную смесь приводит к упрочнению материала покрытия). Зависимость микро-I вердости Ни покрытия ТЮЫ от содержания С2Н2 носит экстремальный характер, с максимальным и минимальным значениями микротвёрдости в определенных диапазонах газовых смесей: (30 - 40) % С2Н2 и (60 - 80) % С2Н2 в смеси. Максимальное значение микротвёрдости Ни покрытия 'ПСЫ (49,5 ГПа) и 1,5 раза выше, чем у покрытия Т1Ы (32,0 ГПа). Величина остаточных макро-

напряжений покрытия ПЫ увеличивается и достигает максимального значения при 35 % С2Н2 в смеси о0 = - 3800 ± 400 МПа. При дальнейшем увеличении содержания в газовой смеси С2Н2 величина остаточных макронапряжений резко снижается до минимального уровня а0 = - 1260 ± 400 МПа (при 75 % С2Н2 в смеси) и затем практически не изменяется. Экстремальный характер изменения коэффициента отслоения К0 аналогичен характеру изме-нению макронапряжений а0 и микротвердости Нц: увеличение К0 в диапазоне содержания (25 - 50) % С2Н2 в смеси, очевидно, связано с резким ростом сжимающих остаточных макронапряжений о0> которые возрастают в 1,5 - 2,0 раза по сравнению с покрытием ТлЫ. Дальнейшее увеличение содержания С2Н2 в смеси (начиная с 50 %) приводит к уменьшению К0, что, вероятнее всего, связано с изменением микропластичности покрытия ПСИ, так как оно

становится по свойствам более близким к карбиду титана ('ПС).

\

*>

1. Технологические параметры процесса нанесения покрытий

Номер катода Химический

1 2 3 состав

М 1д, 1ф> М 1д, 1ф» М 1л, 1ф) покрытия, %масс.

А А А А А А

Л 110 0,3 и 110 0,3 И 110 0,3 Т1-100

Г\-Ъх 110 0,5 Т1* 110 0,5 110 • | 0,5 Т\-95,Ъх-5

ТЬ-Бе 110 0,5 П* 110 0,5 И-Бе • • 110 0,5 ТС - 98,6; Ре - 0,95;

• № - 0,2; Сг - 0,25

ТьА1 110 0,4 л* 110 0,4 ТьА1 110 0,4 Т1 - 65, А1-35

110 с • 0,4 Т1* по 0,4 • 110 0,4 Т1 - 93, 81-7

Примечание: * Титановый катод включается только в процессе ионной очистки РИ.

Очевидно, что изменение механических (Нц) и адгезионно-прочностиы.ч (а0, К0) свойств покрытия ПСЫ должно влиять на интенсивность изнашиип

110

Вестник УлГТУ 1/200/

ния РИ: интенсивность изнашивания РИ снижается втрое (с 0,68 до 0,22 на лучшем составе), причём наилучшие результаты показывают покрытия, имеющие максимальную микротвёрдость.

Следует отметить, что карбонитридные покрытия сложного состава (нанесённые с помощью составных катодов) имеют несколько меньшую прочность связи покрытия с инструментальной основой, чем простые покрытия типа TiCN: для покрытия (Ti-Zr)CN К0= 2,2, для покрытия (Ti-Fe)CN К0 =1,8, а для покрытия TiCN лучшего состава К0= 1,6. Эти изменения коэффициента К0 связаны с изменением микротвёрдости так как известно, что повышение твёрдости покрытия приводит к потере пластичности и, как следствие, к разрушению и отслаиванию покрытия от инструментальной основы.

Анализ фрактограмм изломов покрытий типа TiN, TiCN, (Ti-Fe)CN и (Ti- Zr)CN, полученных с помощью составных катодов, привел к выводу, что покрытия однофазны и имеют столбчатое строение. Причиной этого является отсутствие фазовых границ (микрослоистости) при конденсации покрытий, т.е. отсутствие мощного структурного фактора торможения трещины. Это непосредственно 01ражается на характере излома, поскольку не наблюдается

развитая рельефность поверхности излома и проявляется характерная столб-

• ■ •

чатая структура. Естественно, такое строение покрытий отражается на их адгезионно-прочностных свойствах (см. табл. 2).

Для покрытий типа (Ti-Al)CN и (Ti-Si)CN характерно также столбчатое строение, но менее выраженное, чем для покрытий типа TiN, TiCN. Коэффициент отслоения К0 покрытия (Ti-Si)CN несколько меньше (К0 = 1,6), чем у покрытий TiCN, (Ti-Zr)CN и (Ti-Fe)CN, что может быть связано с низким уровнем остаточных макронапряжений (см. табл. 2). Высокие адгезионно-прочностные свойства покрытия (Ti-Al)CN (К0 = 0,3) объясняются высокой химической активностью А1 по отношению к инструментальной основе и самым низким уровнем остаточных макронапряжений среди исследованных типов покрытий.

Покрытия сложного состава, содержащие Zr, Fe, А1 и Si, имеют высокие эксплуатационные свойства - интенсивность их изнашивания находится или на уровне лучшего состава TiCN, или уменьшена на (25 - 30) %, а по сравнению с РИ с покрытием TiN интенсивность изнашивания уменьшается в 3 - 4,2 раза.

Обобщая полученные результаты, можно заключить, что использование литых и составных катодов при нанесении карбонитридных покрытий позволяет задействовать механизм твёрдорастворного упрочнения материала покрытия. Изменяя состав покрытия путём изменения состава газовой смеси

СЧ

л Д

К

л

в

о я

00

« 2 к т

Э ~

I

а •в4 _ -в* о

о

И

к ег

I

о ч

О

н о

§ Ч? б «

I

о

Он с

ы

А

Н сЗ

с г

Он Д

р

к

ОО^-ИНСЧ^О^^^СЧСО^ Ю ГЛ гч с^ ^ ^ г^ г^ м - ^

л ^ л Л /^Ч сч

ООООО0

О О О О О

ОООО^ЧООЧГ^ООСЧООСПЧО

Л сч 1 ПЛЛЛЛЛЛГУ

л г олпллглл

МООО^гнООГ-О^П'-

л

к

р « «

О)

к я

л *

Си

<и «§

К о

н ^

гч

н

НИ

Л

сх

«

о с

I

й) о

о 2

о

« ^

Г»

д §

и 8

ОООоОООО ^ОО^оШОООО

ООО ^ СЧ ЧО ГЧ СП сч

-Н-Н-Н-Н-Н-Н-Н-Н-Н-Н-Н

О О О О о О О О О О

ООО

ЧО 00 ЧО

оо ил с^ ю с^ о) чо ^Г^СЛ^ — — — СЧ

I I ( I I I I I

О 1> ЧО

сч I

о

ЧО

о о

СЧ

сч I

2 О ин о со ЧО о ^ см сч О о о ^

о 00 о

СЧ со сч

1Л ^ ч; VI ¿ч 1Л Ю Г4

/^Ч г» л г

° о о о

ю ^ ^ ^ УП 144

ЧО Г- ^ 00 ^ ЧО

Гч Г . с\ Л о

О О '—' О

00 СП ^к ОС ь

о о °

<Г)Ч0"^СЧ'О1ОТСЧ Г-1>ОООчОсН*ЛЧО СЧ СЧ СЧ СЧ СП .СП СП сч

оооооооо

М 1Л С^ СЧ С^ СЧ СП

^Г тг

с л г.

ООО

\0 \0 ^О ч^О

о4« о4 О4 О4 о4

V) 1Л о >л

N0 \0 \0 ч©

ох о4 О4 о4

1Л 1П О о

СЧ СЧ СП СП

У У У У У

н и н н н .л .л .л

н н н н

112

Вестник УлГТУ

и легирования недефицитными металлами, можно управлять структурой и

I

свойствами покрытий, а значит, и их механическими и адгезионно-прочностными свойствами, что непосредственно сказывается на износостойкости РИ с покрытием.

Ширмам о в Николай Анатольевич, кандидат технических наук, докторант кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» УлГТУ, окончил Ульяновский политехнический институт. Занимается вопросами упрочнения режущего инструмента износостойкими гюнно-плазменными покрытиями.

УДК 621.923.045:66.067

• •

/

Е. М. БУЛЫЖЁВ, В. П. АФАНАСЬЕВ, А. Р. ТРОЩИЙ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАССЕТНЫХ МАГНИТНЫХ СЕПАРАТОРОВ

т

Приведены результаты экспериментального исследования технологической эффективности кассетных магнитных сепараторов с различным исполнением магнитных патронов.

• • ♦ —

Перспективным элементом экологизированных ресурсосберегающих систем применения смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) в машино-строении и металлургии являются кассетные магнитные сепараторы (KMC) (рис. 1). Их применение позволяет в десятки раз увеличить срок эксплуатации СОЖ, тем самым существенно уменьшить объёмы сбросов отработанных СОЖ и сократить негативное техногенное воздействие предприятий на окру-жающую среду.

Принцип работы KMC состоит в следующем. Кассета (см. рис. 1, а), состоящая из магнитных патронов 1, закреплённых на траверсе 2 и проходящих через шламосъёмник 3, при помощи привода возвратно-поступательного действия (на рисунке условно не показан) периодически опускается в ёмкость 4 между распределительными решётками 5 и 6 (рис. 1, а - рабочее положение) и извлекается из неё для очистки патронов (рис. 1,6- разгрузочное положение). В разгрузочном положении под кассету подводится транспортирующий механизм 9. СОЖ поступает по каналу 8 в правый отсек ёмкости, затем проходит через решётку 5. При этом выравнивается скорость движения жидкости по по-перечному сечению ёмкости 4. При прохождении СОЖ через магнитную ре-