CC BY
4
УДК 621.9 Дин Кай Цзянь
Повышение эффективности режущей керамики с слоистыми многокомпонентными функциональными композиционнами материалами
Аннотация
Статья посвящена проблеме развития материаловедения. Автор уделяет особое внимание вопросу разработки новых материалов, что связано со все возрастающими требованиями к повышению уровня их физико-химических, технологических и эксплуатационных свойств, созданием технологий получения и производства. Обосновывается мысль о том, что особый научный и практический интерес представляет разработка и получение инструментальных материалов (ИМ). В статье также излагаются взгляды на производительность труда в отраслях промышленности и качество обработки деталей машин, что в значительной степени зависит от применяемого режущей керамики (РК).
(Ключевые слова: инструментальный материал, режущей керамики, наноструктурированные покрытия, метод фильтруемого вакуумно-дугового осаждения, ФВДО, высокопрочная композиционная керамика, ВКК.
Ding Kai Jian
Improving the efficiency of cutting ceramics with layered multicomponent functional composite materials
Abstract
The article deals with the problem of the development of materials science. The author pays special attention to the issue of the development of new materials, which is associated with the increasing requirements to boost the level of their physical, chemical, technological and operational properties and the creation of technologies for obtaining and production. The idea is substantiated that the development and production of instrumental materials is of particular scientific and practical interest. It is known that in mechanical engineering and other industries, labor productivity and the quality of machining of machine parts largely depends on the applied cutting ceramics The choice of material for the cutting part of the tool over the centuries has been a priority for science, technology and has been closely associated with the development of metallurgy, and more recently with powder metallurgy, the influence of concentrated energy flows, as well as physics and chemistry of solids.
■ Keywords: tool material, cutting ceramics, nanostructured coatings, method of filtered vacuum-arc deposition, FVDO, High - strength composition ceramics, HCC.
Введение. По оценкам ведущих зарубежных и отечественных экспертов широкое применение керамического инструмента, не содержащего в своем составе дефицитных компонентов типа Ш, Ta, №, Со и др., в технологиях лезвийной формообразующей обработки будущего приведет к значительным экономическим и экологическим эффектам [1; 2].
Исследовали режущие свойства высокопрочной композиционной керамики (ВКК) с многокомпонентным функциональным покрытием (МФП) расширенной области технологического применения, в том числе и для экологически чистого высокоскоростного «сухого» резания. Разработка ВКК с МФП является актуальным научным направлением создания композиционных материалов с оптимальным сочетанием
поверхностных и «объёмных» свойств в едином геометрическом теле изделия и агрегата.
1. Объект исследований.
Объектом исследований служили сменные многогранные пластины (СМП), в которых рационально сочетали свойства твердого сплава (достаточная прочность и вязкость), режущей керамики (высокая твердость теплостойкость и износостойкость) и многокомпонентное функциональное покрытие (благоприятная трансформация контактных процессов при резании, «залечивание» поверхностных дефектов керамики) (рис. 1) [2]. Подобный композиционный материал получил наименование «высокопрочная композиционная керамика» (ВКК) с функциональным покрытием.
Рис. 1. Концептуальная схема архитектуры высокопрочной композиционной керамики
(ВКК) с наноструктурированным многослойно-композиционным покрытием Использование вязкого и прочного субстрата (3) из вольфрамокобальтовых или безвольфрамовых твердых сплавов позволяет придать композиционной керамике прочностные свойства, близкие к соответствующим показателям прочных марок твердых сплавов (си^ 1350 - 1400 МПа). Применение керамических слоев (2) позволяет заметно повысить износостойкость СМП из ВКК, а также сопротивляемость разрушению в условиях вибраций (виброустойчивость) и действия знакопеременных термомеханических напряжений (усталостная прочность). Формирование поверхностных слоёв (1) в виде покрытий на основе наноструктуриро-ванной композиционно - многослойной архитектуры позволяет существенно повысить износостойкость керамического слоя (2) и ВКК в целом. Кроме того, комбинированное воздействие на поверхность керамики среднеэнергетическими ионами металлогазовой плазмы с последующим синтезом ионно-плазменных износостойких покрытий на основе композиций различных соединений тугоплавких переходных металлов позволяет «залечить» наиболее опасные поверхностные дефекты керамического слоя (2), формируемые в процессе его изготовления (субмикротрещины, несплошности, субмикро- и микропоры, поверхностные области с растягивающими остаточными напряжениями и т. д.).
В статье в качестве основных процессов формирования покрытий на субстратах из ВКК использованы физические (PVD) процессы (Metal Vapor Vacuum Arc-MeVVA или КИБ), а также инновационная разновидность процессов КИБ-MeVVA, которая получила наименование «фильтруемое вакуумно-дуговое осаждение» (ФВДО) покрытий [1].
В настоящее время методы КИБ-MeVVA широко используется ведущими производителями режущего инструмента из-за высокой надежности, универсальности, возможности получения покрытий практически любой архитектуры, состава, структуры с обеспечением экологической чистоты процессов в сравнении с методами и процессами химического осаждения покрытий (методы CVD) [4; 5].
2. Исследование влияния параметров процесса ФВДО на характеристики ВКК с покрытием.
Проведенные исследования [6; 7] позволили установить достаточно влияние условий получения покрытий на их фазовый состав и структуру. К таким условиям можно отнести:
- состав катода;
- параметры процесса синтеза покрытия (ток дуги -1Д, напряжение смещения - UC, давление реакционного газа - PN);
- свойства и субструктура поверхности субстрата.
Анализируя особенности процессов ФВДО, следует выделить ряд параметров многокомпонентного функционального покрытия (МФП), которые необходимо контролировать для объективной оценки свойств системы «ВКК-МФП», применительно к операциям резания. К параметрам МФП отнесены:
- толщина и параметры архитектуры;
- прочность адгезии по отношению к субстрату;
- микротвердость;
- вязкость разрушения (хрупкость);
- химический состав.
Толщина МФП и состав ВКК с МФП. Оценку толщины МФП производители методом «калотест» (Kalotest) на сферических шлифах, полученных абразивным шариком при микроразрушении. Оценивали среднеарифметическое значение толщины МФП по результатам 5-ти измерений на плоской поверхности твердосплавных СМП из ВКК с МФП. Контрольную оценку толщины ФМП производили также по электронно-сканирующим снимкам, полученным на микроскопе SEM JSM-6480LV, который использовали также для рентгеноспектральных исследований состав слоев 1 и 2 ВКК - ФМП.
Результаты сравнительных исследований СМП из ВКК (слои 2 - A12O3 - TiC - TiN и 3 - TiCN - Ni, Mo) с МФП (слой 1 - Ti - TiN - (TiAl)N (ФВДО) предста-авлены на рис. 2 и 3, которые позволяют отметить следующее.
^Н
щ 1 V'Vi-Ji'ÁLdL ЧРЖ'? В .
г ■в™" ■ i £ j ; .-ЗдоР
Яг*.**» Vj íj 1 ним al
Рис. 2. Микрофотографии ВКК - Ti - TiN - (Ti, AlN) (ФВДО), полученные на установке StrataTM FIB201 (слева) и микроскопе SEM-JSM-6480LV (справа)
субстрат покрытие
5 4 3 2 1 О мкм длина |лэыпрения
Рис. 3. Микрорештеноспектральный анализ слоев 2 и 1 СМП из ВКК с МФП, произведенный на электронно-сканирующем микроскопе SEM JSM-6480LV
Установлено, что слой 2 субстрата из ВКК включает следующие элементы: Al, Ti, O, что соответствует составу керамического слоя 2 (см. рис. 1). Некоторое количество азота, обнаруженное в субстрате, скорее всего свидетельствует о диффузии азота из покрытия в субстрат.
Содержание алюминия и кислорода в покрытиях Ti -TiN - (TiAl)N падает до нуля, что соответствует составу покрытия, при этом установлено некоторое увеличение процентного содержания Ti. Результаты показали, что нанесение покрытия, в составе которого содержатся такие же химические элементы, как и в субстрате, не ведет к значительному изменению таких свойств, как микротвердость.
Результаты оценки влияния параметров ITi, UC, PN процессов КИБ-MeVVA и ФВДО на толщину покрытия на основе системы Ti - TiN - Ti0.22Al0.22N0.56, нанесенного на твердосплавные СМП из ВКК, представлены на рис. 4 и 5.
* ___—■
t и
ш <f >
t >*
—1—
40 Л ьо 7(1 80 ?0 100 ПО 12(1 1)0] Д Тек дуги тнтюигв капт А
Рис. 5. Влияние напряжения смещения иС на толщину Ш МКП: 1-МФП, процесс КИБ-МеЛЛА; 2-МФП, процесс ФВДО
Установлено, что для исследуемых процессов КИБ-MeVVA и ФВДО с ростом величины тока титанового катода ITi толщина МФП увеличивается, а с ростом напряжения смещения UC- уменьшается, при этом давление азота PN вакуумной камере установки ВИТ - 2 при нанесении МФП не оказывало существенного влияния на толщину покрытия.
Следует отметить, что, несмотря на уменьшение весовой массы вещества на единицу площади вследствие сепарации макро- и микрокапельной составляющей пароионного потока для процесса ФВДО по сравнению с процессом КИБ-MeVVA, толщина покрытия для обоих процессов для всего исследуемого диапазоне параметров процессов нанесения МФП отличается весьма незначительно (см. рис. 4 и 5). Указанное связано с более высокой скоростью пароионного потока для процесса ФВДО [7], что несомненно компенсирует несколько меньшую плотность осаждаемого конденсата.
Адгезионная прочность. Оценку прочности адгезии в системе «МКП - субстрат» в зависимости от параметров процессов КИБ-MeVVA и ФВДО производили методом скрайбирования («Scratchtest») по критическому значению усилия, прилагаемого к скрайбирующему (царапывающему) индентору, при котором происходит разрушение покрытия вдоль царапины, а также методом вдавливания конуса твердомера Роквелл согласно стандарту VDI-3198 (стандарт DIN 50 103 Т1.3.84).
,1 .1
ЧИП /
X» м я» / f -
л
/ 1
Ii
7
j
J0 № « 70 И W 100 110 I» tM TmjjiH щгщнчюекпи.и. А
Рис. 6. Зависимость критической (разрушающей) нагрузки от тока титанового катода Ш для МКП, осажденного на СМП из сплава Т14К8: 1-МКП, КИБ-Ме'УЛА; 2-МКП, ФВДО
Анализ данных по исследованию параметров Ш, иС, PN на критическую силу позволяет отметить следующее.
Основные параметры процессов вакуумно-дугово-го осаждения МФП оказывают значительное влияние на один из важнейших параметров инструмента с покрытием прочность адгезии между покрытием и субстратом. При увеличении параметров синтеза МФП Ш, иС и PN критическая нагрузка Ркр имеет выраженный экстремальный характер, причем во всех случаях для наноструктурированных МФП, формируемых при использовании процесса ФВДО, отмечается более высокая прочность адгезионной связи по сравнению с аналогичным параметром для МФП, осаждаемого при использовании стандартной технологии КИБ-МеЛЛА.
Наиболее сильное влияние на адгезию оказывает ток дуги (рис. 6), причем при Ш = 65-70 А сила Ркр разрушения МКП при царапании алмазным индентором достигает 750 гр и 920 гр для процессов осаждения КИБ-Ме УУА и ФВДО соответственно.
Заметно большая прочность адгезии МФП, формируемых при использовании процессов ФВДО, по видимому, связана с зарождением большого количества центров конденсации слоев МКП и центров адгезии с субстратом, чем для процессов КИБ-МеУУА, а также более высокими значениями энергии и скорости конденсируемых ионов, что способствует интенсификации диффузионных процессов между адгезионным подслоем (3) МКП и субратом.
3. Исследование режущих свойств инструмента из ВКК с покрытием (МКП).
Методика исследований. Исследования режущих свойств режущего инструмента, оснащенного СМП из ВКК с разработанными составами МФП, для оценки его эффективности проводили при продольном точении.
Обрабатываемый материал. При проведении исследований использовали закаленную сталь 50Г с твердо-
Архитектура МФП
стью HRC 52-54 и высоколегированную закаленную сталь Х53СгМоУ12 с твердостью HRC 58-60, а также закаленную сталь ХВГ с твердостью 58-60.
Оборудование. Для возможности проведения исследований, близких к производственным, использовали стенды на базе универсального токарного станка 16К20, а также токарного станка с ЧПУ GU 600, оснащенных устройствами для измерения сил резания, шероховатости обработанной поверхности.
Режущий инструмент. Объектом исследования служили СМП из ВКК и стандартных твердых сплавов формы SNUN и SNGN, которые закрепляли в специальные державках повышенной жесткости, что обеспечивало следующие значения геометрических параметров режущей части инструмента: для СМП формы SNUN: у = - 70; а= 6 - 80; ф= ф1= 450; Х= - 50; г = 0.8 - 1.2 мм; для СМП формы SNGN: у = - 70; а= 6 - 80; ф = 750; ф1= 150; Х= 00; г = 0.8 - 1.2 мм. Архитектура и назначение элементов МФП представлены в таблице 1.
Таблица 1
Архитектура слоя 1 МФП Составы слоев МФП Функциональное назначение
Рис. с] 7. Архит лоя 1 МФ _1 -2 -3 -4 ектура П 1) наружный слой с наноразмерными субслоями (пример: (п, А1; псгаш; ZrCrAlN, ПСгА^М и др.); 2) промежуточный слой с наноразмерными субслоями (пример: ТЧ, ZrN, СгЧ, А1203 и др.); 3) адгезионный подслой (пример: П, Zr, Сг, ТЧ, СгЧ и др.) 1) повышение износостойкости композита ВКК, снижение физико-химической и адгезионной активности ВКК, управление контактными процессами; 2) обеспечение адгезии между слоями 1 и 3, барьерные функции (относительно диффузии, тепловых потоков и др.); 3) обеспечение высокой адгезионной прочности между слоем 3 и керамическим субтратом (слой 4)
Результаты исследований представлены на рис. 8. Оценка кинетики развития очагов изнашивания СМП из ВКК с МФП характерна существенно меньшая интенсивность изнашивания по сравнению с контрольными СМП из ВКК (без покрытия). Такой вывод соответствует результатам проведенных исследований и соответствует ранее полученным резутатам исследо-
ваний интенсивности изнашивания керамических инструментов с покрытием [2; 6; 7].
Для уяснения кинетики изнашивания СМП из ВКК с различными вариантами покрытий были получены графические зависимости изнашивания от времени резания т-<Л3 - т»и изнашивания от длины пути резания L-«h3 - L»(рис.8 а, б). Анализ данных рисунка позволяет отметить следующее:
Рис. 8. Влияние длины пути L(а) и времени Т резания (б) на изнашивание задней поверхности инструмента h3 для инструмента, оснащенного СМП из ВКК при точении закаленной стали Х53СгМоУ12 с v=350 м/мин; t=0.2 мм; S=0.15 мм/об: 1 - контрольные СМП из ВКК без покрытия; 2 - СМП из ВКК со стандартным покрытием ТЫ (КИБ - МеУУА); 3 - СМП из ВКК с МФП на основе наноструктурированной системы
Т - тач - (Л, А1)Ч (ФВДО)
1. Интенсивность изнашивания для СМП их ВКК с МФП заметно снижается по сравнению с изнашиванием СМП из ВКК без покрытий (см. рис. 8, сравнение кривую 1с кривыми 2 и 3). Максимальное снижение интенсивности изнашивания при критическом значений Ю = 0.3 мм имеют СМП с МФП на основе нано-структурированной системы Т - ТЧ - (Т^ А1), получаемой при использовании вакуумно - дугового процесса ФВДО (см. рис. 8, кривая 3), стойкость которых превышает в 1.8-2.0 раза стойкость контрольных СМП из ВКК без покрытия, но и в 1.5-1.7 раза превышает стойкость СМП из ВКК со стандартным покрытием ТЧ ( КИБ-МеУУА).
2. Повышение износостойкости СМП из ВКК с разработанным МФП связано с наиболее сильным снижением силовых и температурных нагрузок на контактные площадки инструмента, оснащенного СМП из ВКК с Т - ТЧ - (Л, А1).
3. Отмечено более интенсивное изнашивание СМП из ВКК с покрытием на стадиях приработочного изна-
шивания инструмента, что связано с более интенсивным разрушением более хрупких локальных структур керамического слоя ВКК с покрытием в период приработки и обуславливает снижение интенсивности изнашивания инструмента в период нормального изнашивания.
Установлено также, что осаждение многокомпонентных функциональных покрытий различного состава и структуры на ВКК - субстраты позволяет направленно управлять процессами контактного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материала за счет роста адгезии, увеличения длины полного контакта стружки с передней поверхностью и соответствующего снижения величины нормального контактного напряжения. Указанное является главной причиной снижения вероятности хрупкого разрушения керамики и приводит к сбалансированного изнашиванию контактных площадок инструмента при весьма высокой сопротивляемости такому изнашиванию режущей керамики всех типов.
Литература
1. Верещака А.С. Тенденции совершенствования технологиях производственных систем / А.С. Верещака // Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». - С. 16-38.
2. Кириллов А.К. Разработка и исследование технологии сухого резания труднообрабатываемых материалов с компенсацией физических функций СОТС / А.К. Кириллов, А.С. Верещака, А.А. Козлов [и др.] // СТИН. - 2009. - №1. - С. 35-40.
3. Верещака А.С. Функциональные покрытия для режущего инструмента / А.С. Верещака, А.А. Верещака // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2010. - №6. - С. 28-37.
4. Григорьев С.Н. Модификация поверхности режущего инструмента из быстро режущей стали путем вакуумно-плазменной обработки / С.Н. Григорьева, М.А. Волосова, В.Н. Климов // Физика и химия обработки материалов. - 2005. - №5 - С. 11-18.
5. Волосова М.А. Технологические принципы осаждения износостойких нанопокрытий для применения в инструментальном производстве / М.А. Волосова, С.Н. Григорьев // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2010. - №6. - С. 37-42.
6. Верещака А.С. Основные аспекты применения и совершенствования режущих инструментов с износостойкими покрытиями / А.С. Верещака. - СТИН. - 2000. - №9. - С. 33-39.
7. Vereshchaka A. High Precision/ High Speed Machining Technologies / A. Vereshchaka, W.Y. Lee. - Cheonan: Edition of HRDI, 2002. - 393 p.
