CC BY
17ИНСТРУМЕНТ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Разработка технологии нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент на основе минералокерамики
и кубического нитрида бора
С. Н. ГРИГОРЬЕВ, профессор, доктор техн. наук, В. Г. БОРОВСКИЙ, аспирант,
МГТУ «СТАНКИН», г. Москва
(Рекомендовано к публикации в журнале «Обработка металлов» 3-ей Всероссийской научно-практической конференцией «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении», г. Бийск, 25-26 сентября 2003 г.)
Рассмотрены вопросы повышения режущих свойств нитридной и оксидной керамик и нитрида бора путем формирования многокомпонентных Р\/0-покрытий. Приведены результаты экспериментальных исследований износостойкости покрытий со сплошной и дискретной структурой.
Уникальные физические и химические свойства (высокая химическая устойчивость, твердость, износостойкость, теплостойкость) минералокерамики и нитрида бора обусловлены чисто ковалентным характером связи атомов. Однако режущая керамика и нитрид бора характеризуется относительно невысокими значениями прочности при изгибе, повышенной хрупкостью, высокой чувствительностью к дефектам. Все оооимодействия между поверхностями инструмента и заготовки во время процесса механообработки концентрируются в сравнительно тонкой поверхностной зоне. Следовательно, может быть достаточным V экономически оправданным, модифицировать микроструктуру керамик в поверхностном слое толщиной в несколько сотен микрометров, например, с помощью ионной имплантации или нанесения износостойких покрытий.
В различных литературных источниках встречаются сведения об осаждении на керамические подложки одного или нескольких слоев (от 1 до 10 мкм) нитридов и/или карбидов Т|, ЫЬ, Н^ V, Та, Мо, Сг, и А1. с помощью метода реактивного импульсного магнетронного напыления. Также известен способ осаждения на керамику износостойкого слоя, содержащего бор и углерод, а затем - слоя кубического нитрида бора, а также осаждение Р\/Р-мето-дом на нитрид бора покрытия ИЫ, снижающего коэффициент трения на поверхностях инструмента и др.
Однако при нанесении Р\/Р-покрытий на керамические материалы в существующих промышленных установках возникает ряд трудностей. Поскольку на диэлектрические подложки подать напряжение смещения невозможно, на поверхность поступают одновременно поток электронов и равный ему поток ионов, ускоренных до энергии, соответствующей плавающему потенциалу, составляющему несколько электронных температур и поэтому не превышающему несколько десятков вольт. В большинстве случаев энергия ионов оказывается ниже порога распыления, и ионная очистка поверхности вообще не происходит. Кроме того, обработка заряженными частицами связана с преодолением ряда дополнительных трудностей, таких, как проблема транспортировки в вакууме пучка положительно заряженных ионов от источника до поверхности диэлектрика или ионизация загрязняющих примесей в диэлектрике и другие неконтролируемые явления, способные повлиять на характеристики наносимого диэлектрического покрытия. Желательно постоянное пребывание покрываемых
изделий в зоне пучка. Так как габаритные размеры рабочих вакуумных камер установок достигают 1 метра, и так как необходимо обеспечить максимальное орсмя пребывания в пучке, сканирование узкими ионными пучками представляется непродуктивным. Здесь речь должна идти о пучках с большой площадью поперечного сечения в 103 - 10* см2, соизмеримого с сечением самой камеры.
Повышение интенсивности ионной очистки и нагрева изделий непроводящей керамики возможно лишь при использовании источников ускоренных тяжелых частиц (ионов, быстрых нейтральных молекул). Для того, чтобы в вакуумных камерах установок ФОП наносить покрытия на керамический инструмент и в процессе нанесения управлять характеристиками покрытий, в МГТУ «СТАНКИН» был разработан специальный источник пучка большого поперечного сечения быстрых нейтральных молекул (рис. 1).
Быстрые нейтральные молекулы 1, поступающие в рабочую вакуумную камеру 2 через выходную щель 3 камеры перезарядки 4, образуются в камере 4 в результате столкновений ускоренных ионов 5 с медленными молекулами газа 6. Молекулы 6 отдают свои электроны ускоренным ионам 5 и превращаются в медленные ионы 7. Они пере-
Рис. 1. Принципиальная схема источника пучка.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
носят положительные заряды в основном на стенки камеры перезарядки 4, на ускоряющую сетку 8 и лишь пренебрежимо малая их часть поступает в рабочую камеру 2 через щель 3. Ионы 5 сначала ускоряются в слое 9 между плазменным эмиттером 10 и сеткой 8, а затем замедляются во втором слое 11 между сеткой 8 и синтезированной плазмой 12.
Ускоренные молекулы обрабатывают подложки с такой же скоростью, кок и их ионы с равной кинетической энергией. Однако пучок нейтральных молекул с любой мощностью и любым эквивалентным током не вызывает повреждений униполярными дугами. Отсутствуют какие-либо проблемы с его транспортировкой в вакууме. Скорость обработки таким пучком не зависит от потенциала поверхности подложки, а на его однородность и энергию не влияют никакие электрические и магнитные поля, а также другие источники плазмы и пучков, работающие одновременно. Однородный по сечению пучок обеспечивает одинаковые скорости травления острых кромок и углублений, что исключает затупление режущего инструмента.
Результаты испытаний резанием керамических режущих пластин с Р\Ю покрытием.
Инструментальный материал Толщина подслоя [мкм] Содержание в катоде [%] Стойкость [мин]
Ъх N5
ВОК-бО (А12Оз) >ез покрытия 18
ВОК-бО (А120з) 1,5 90 10 19
ВОК-бО (А120з) 1,5 60 40 23
ВОК-бО (А120з) 1,5 30 70 19
ВОК-71 (А1203) >ез покрытия 22
ВОК-71 (А120з) 0,5 60 40 28
Силинит-Р (SiзN4) Без покрытия 15
Силинит-Р (ЗУУ^) 1 60 40 18
Проведенные эксперименты по нанесению износостойкого покрытия ЫЬ)Ы на керамику А1203 (ВОК-бО, ВОК-71) и 313Ы4 (Силинит-Р), показали, что для получения максимальной плотности и твердости покрытия необходимы вполне определенные значения плотности тока и энергии пучка. Регулировка энергии бомбардирующих осаждаемое покрытие молекул в диапазоне 10-500 эВ позволяет необходимым образом модифицировать структуру покрытия, воздействовать на его стехиометрию и в широком диапазоне регулировать остаточные нагряжения в покрытии.
В ходе испытаний ток электрической дуги варьировался от 80А до 180А, а напряжение осаждения от 100В до 300В. При испарении гг-ЫЬ катодными пятнами вакуумно-дуговым разрядом проводилось поддерживаемое ионами аргона осаждение промежуточного слоя толщиной 0,5-1,5 мкм и затем поддерживаемое ионами азота осаждение износостойкого (¡^г, ЫЬ) N слоя. Общая толщина покрытия составила 4-6 мкм.
Все стойкостные испытания проводились при непрерывном точении цилиндрической заготовки из подшипниковой стали ЮОСгб со скоростью резания 120 м/мин, подачей 0,125 мм/об и глубиной резания 0,3 мм. Критерием для оценки износа инструмента служила площадка износа 0,2 мм. Наилучшие по стойкости результаты (увеличение стойкости на 30%) получены при процентном соотношении в покрытии (2г-1МЬ) N 60% Тх и 40% ЫЬ.
Высокая адгезия покрытия к керамике достигается за счет использования металлических ионов высокой атомной массы (Хг, ЫЬ). Дальнейшее улучшение свойств керамического инструмента с покрытием может быть достигнуто при использовании сложных карбонитридов на основе Та, 01, \Л/ засчет улучшения адгезии покрытия к керамике из-за увеличения средней атомной массы соединения.
Таблица
О критериях размерного качества проектируемого
процесса механосОорки
О. Н. КАЛАЧЁВ, доцент, канд. техн. наук, ЯГТУ,
г. Ярославль
(Рекомендовано к публикации в журнале «Обработка металлов» 3-ей Всероссийской научно-практической конференцией «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении», г. Бийск, 25-26 сентября 2003 г.)
Рассмотрено применение программного комплекса КОМ7-С1ЧАКОМ7 для поиска и расчета взаимосвязанных технологических цепей.
При проектировании технологических процессов (ТП) изготовления деталей встает задача расчета промежуточных и окончательных технологических размеров и допусков на них. Необходимость в таких размерах вызвана, во-первых, тем, что обработка заготовки по размерам конструктора не всегда возможна. Связано это чаще всего с осо-
бенностями базирования на конкретном оборудовании. Во-вторых, даже при совпадении конструкторских и технологических баз реальные детали получаются многократной обработкой одних и тех же поверхностей, что также требует регламентации выдерживаемых на различных стадиях обработки размеров. Очевидно, что предлагаемые технологом и оформляемые в операционной карте размеры должны, в конечном итоге, обеспечить точность конструкторских размеров детали.
