CC BY
0
УДК 621.91.02(076) Б01 10.25960/то.2019.5.19
Влияние композиционного наноструктурного покрытия на изменение элементного состава в поверхностных слоях режущего инструмента
А. М. Щипачев, М. Ш. Мигранов, В. Р. Мухамадеев, И. Р. Мухамадеев
Представлены результаты исследования элементного состава в поверхностных слоях режущего инструмента. Методом растровой электронной микроскопии выполнен анализ содержания элементного состава в приповерхностных слоях режущего инструмента с композиционным покрытием в исходном состоянии и после отжига под давлением в целях наблюдения изменений, происходящих в исследуемых образцах, и определения диффузионных и структурных явлений. Обнаружено уменьшение состава вольфрама в подложке, связанное с внедрением составляющих покрытия в приповерхностные слои инструмента.
Ключевые слова: инструмент, покрытие, износостойкость, титан, алюминий, самоорганизация, трение.
Введение
Режущий инструмент считается наиболее слабым звеном технологической системы, поэтому увеличение его износостойкости является одной из главнейших задач машиностроительного производства [1—3].
В настоящее время к наиболее эффективным методам увеличения износостойкости металлообрабатывающего инструмента относятся нанесение композиционных нанострук-турных покрытий.
Режущий инструмент с износостойкими покрытиями обеспечивает ряд важных преимуществ: увеличение производительности обработки резанием и срока службы инструмента [4, 5]; снижается расход сложнопрофильного инструмента вследствие уменьшения количества его переточек [2].
В связи с увеличением потребности в станочном оборудовании и созданием новых конструкционных и жаропрочных сплавов необходимы специальные исследования в области разработок износостойких покрытий, механизмов формирования и влияния на режущий инструмент. Для обеспечения максимальной эффективности инструмента требуются дополнительные экспериментальные данные о характере и механизмах разруше-
ния, также необходимо выявить требования для износостойких покрытий, позволяющих снизить трение и износ контактирующих поверхностей. Для реализации принципа самоорганизации трибологической системы «инструмент—деталь» в состав износостойкой инструментальной композиции вводят материалы, интенсифицирующие или замедляющие процесс окисления, таким образом оказывающие влияние на адаптацию структуры к внешним факторам [1]. Это связано с тем, что в процессе трения свойства поверхностных слоев изменяются, следовательно, исходное состояние покрытий не определяет взаимодействие на всем протяжении процесса резания. Экспериментальными исследованиями установлено, что основной причиной изнашивания металлорежущего инструмента в диапазоне применяемых на производстве скоростей резания являются диффузионные процессы.
В настоящее время все большее внимание исследователей направлено на изучение тройных и более сложных соединений, обладающих более значительными физико-механическими свойствами по сравнению с двойными соединениями.
Наиболее перспективным и часто используемым покрытием для режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания
Щ1ШБРДБРТКА
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
и без использования смазочно-охлаждающих технологических сред, является композиционное износостойкое покрытие Т1АШ. Это связано с тем, что оно обладает более высокими термостойкостью, твердостью [6, 7], вязкостью разрушения, жаростойкостью и модулем Юнга [8], меньшим коэффициентом трения.
К основным и наиболее распространенным методам исследования структуры материала относятся рентгеноструктурный анализ, оптическая и растровая электронная микроскопия (РЭМ). Уникальные возможности современных растровых электронных микроскопов [9-11] позволяют оперативно исследовать поверхности образца при увеличении от 10 до 100 000 без каких-либо дополнительных временных затрат на подготовку качественного шлифа. Оцифровка полученных сигналов позволяет определять элементный состав материала в небольших локальных областях, исследовать физико-химическое взаимодействие на границе смежных слоев.
Одной из значимых функций растровых электронных микроскопов является увеличение изображения исследуемой поверхности его визуализации на экране компьютера, что чрезвычайно важно, потому что появилась возможность сохранения информации на носителях для дальнейшего использования.
В формировании изображения в РЭМ участвуют обратнорассеянные электроны (ОРЭ), выходящие с различной глубины. Интенсивность эмиссии и пространственное распределение ОРЭ зависят от элементного состава пересекаемых ими слоев. Эта особенность позволяет использовать детектирование ОРЭ для анализа слоистых структур. В простейшем случае речь идет об определении толщины покрытия на массивной подложке [12]. Точность измерений возрастает при выделении ОРЭ в узком диапазоне энергий. Спектральная селекция ОРЭ позволяет решить и более сложную задачу разделения изображений элементов структур, содержащих несколько слоев. В методе электронной микротомографии используется зависимость средней энергии ОРЭ от глубины выхода. Изменение энергии пучка ОРЭ, пропускаемого через щель спектрометра, позволяет усилить или ослабить яркость изображения деталей, расположенных на разной глубине [13, 14]. Количественным оценкам глубины
может способствовать наблюдение деформации формы спектральных пиков, проявляющейся в области перехода от одного материала к другому [16-18]. Дифференциацию изображений слоев, находящихся на определенной глубине, затрудняет наличие фона, вызванного размытием спектральных пиков. Повышение спектрального разрешения требует существенного (до трех порядков) увеличения тока, что неизбежно сказывается на качестве изображения. Определенные ограничения накладывает и необходимость размещения высоковольтного фильтра в пространстве между образцом и полюсным наконечником объектива.
Методика исследований
Для экспериментальных исследований использовались быстросменные многогранные пластины из твердосплавного титантантал-кобальтового соединения ТТ8К6, предварительно подвергнутого азотированию (для лучшей адгезии покрытия и подложки), с нанесенным на них покрытием (Т., А1)Ы. Толщина покрытия йпокр, измеренная на приборе Са1о1ев1, составила 6,124 мкм.
Покрытие (Т1, А1)К наносили при фильтрации с помощью сепаратора на модернизированной установке типа ННВ 6.6-И1. Эти установки имеют до трех съемных подвижных мишеней, так называемых модулей. Параметры процесса нанесения покрытия с МДФ: ток в дуге 200 А, давление азота 5 • 10-3 Па, время 30 мин, ток в катушке 20 А, ток в сепараторе 20 А, температура нанесения 340-370 °С. Температурный режим на поверхности образца при нанесении покрытия контролируется с помощью оптического пирометра. Подложки нагревали до температуры нанесения покрытия с помощью ионов аргона во время их осаждения при смещающем напряжении подложки 1 кВ. При достижении требуемой температуры подложки смещающее напряжение понижалось, и в камеру подавался азот.
Использовались литые монолитные титано-алюминиевые катоды, изготовленные методом дугового плавления в аргоне алюминия и титана с соотношением 1 : 1.
Зона контакта режущего инструмента с исследуемым материалом настолько мала, что
требуется увеличение площади исследуемого образца. Для этой цели образцы отжигались при 700 °С под давлением 0,5 ГПа в течение 20 мин в условиях окружающей среды для определения возможного влияния атмосферы на режущий инструмент.
Для исследования химического состава были изготовлены образцы в виде косых шлифов под углом 5° к верхней части режущих пластинок. Эти образцы позволили исследовать гетерогенность состава на небольшой глубине под поверхностью, включая образовавшиеся пленки. В связи с этим ширина исследуемой области увеличивается в 9,57 раза, т. е. йиссл = = 9,57йпокр = 58,61 мкм. До проведения исследования образцы обезжиривали, затем помещали в подготовительные камеры спектрометра и подвергали 5-минутному травлению в среде ионов аргона. Травление осуществлялось под давлением газа 10-4 Па и со скоростью травления порядка 20 монослоев в минуту. Такая подготовка образцов исключила воздействие случайного загрязнения на результаты анализа. Поверхность образцов была исследована на различных глубинах — начиная от поверхности: либо с помощью стационарного электрона и ионных лучей, либо сканированием их по выбранному направлению.
Результаты обсуждения
На следующем этапе исследований косые шлифы были рассмотрены с помощью растрового электронного микроскопа Vega 3 фирмы Tescan при ускоряющем напряжении 20 кВ при увеличении 5000 крат. Изображения получены с помощью детектора обратно отраженных электронов (BSE — backscattered electrons), предназначенного для получения изображений с информацией о вариациях состава на основе контраста по атомному номеру.
Для исследования элементного состава использовался детектор отраженных электронов при увеличении в 400 крат (рис. 1). Отраженные электроны, детектируемые Inlens-детектором SE, практически не изменяют основной сигнал, создаваемый куда более мощным потоком вторичных электронов.
На рис. 2 представлены изображения исходных образцов для количественного исследования элементов на поверхности образцов. На рис. 2, а отчетливо видна область с более плотной светлой структурой. Это азотированный слой, полученный перед нанесением покрытия. На рис. 2, b этот слой на некоторых участках отсутствует либо гораздо меньшей толщины по сравнению с исходным образцом. Это, по-видимому, связано с диффузией азота
a)
b)
Рис. 1. Изображение шлифа (SE, увеличение 400 крат): а — исходный образец; b — отожженный образец
Fig. 1. Image of a section (20 kV, BSE, magnification of 400 times): a — original sample; b — annealed
МЕМ^^ДБ^КА
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
a)
b)
Рис. 2. Изображение шлифа (20 кВ, BSE, увеличение 5000 крат): а — исходный образец; b — отожженный образец
Fig. 2. Image of a section (20 kV, BSE, magnification of 5000 times): a — original sample; b — annealed a) b)
Рис. 3. Область исследования: а — исходный образец; b — отожженный образец Fig. 3. Field of study: a — original sample; b — annealed sample
Рис. 4. Изменение количества титана: 1 — исходный образец; 2 — отожженный образец
Fig. 4. Change in the amount of titanium: 1 — original sample; 2 — annealed sample
в окружающую среду в процессе отжига либо со структурными изменениями с образованием новых структурных составляющих.
На рис. 3 показаны линии, по которым выполнялся анализ содержания титана, вольфрама и алюминия.
На рис. 4-6 показаны графики изменения указанных элементов.
Выводы
Элементы покрытия или их структурные составляющие внедряются в поверхностные слои подложки, что ведет к увеличению содер-
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
MET^flOObPAbJTKA
Рис. 5. Изменение количества вольфрама: 1 — исходный образец; 2 — отожженный образец
Fig. 5. Change in the amount of tungsten: 1 — original sample; 2 — annealed sample
жания титана и алюминия (при этом уменьшается их содержание относительно состава покрытия), также уменьшение вольфрама подтверждает диффузионные и структурные изменения, связанные с принципом самоорганизации системы «инструмент—деталь».
Износостойкость режущего инструмента повышается за счет изменения состояния приповерхностных свойств, при которых наиболее эффективно режущий инструмент сопротивляется изнашиванию, особенно при повышенных температурах.
Согласно выполненным исследованиям обнаружено выравнивание содержания химических элементов в поверхностных слоях инструмента, что подтверждают диффузионные явления, происходящие в процессе резания.
Структурные изменения, которые происходят за счет внедрения составляющих нано-структурного покрытия, приводят к изменению среднего размера зерна, а следовательно, и к изменению твердости [15].
Литература
1. Мигранов М. Ш. Повышение износостойкости инструментов на основе прогнозирования процессов адаптации поверхностей трения при резании металлов: дис. ... д-р техн. наук. М.: 2007. 328 с. [Migranov M. Sh. Improving the Wear Resistance of Tools Based on the Prediction of the Adaptation Processes of Friction Surfaces when Cutting Metals: Dis. ... Dr. Tech. Sciences. Moskva, 2007. 328 p.].
2. Старков В. К. Физика и оптимизация резания материалов. М.: Машиностроение, 2009. 640 с. [Star-
Рис. 6. Изменение количества алюминия: 1 — исходный образец; 2 — отожженный образец
Fig. 6. Change in the amount of aluminum: 1 — original sample; 2 — annealed sample
kov V. K. Physics and optimization of cutting materials. Moskva: Mashinostroyenie. 2009. 640 p.]
3. Верещака А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. 336 с. [Vereschaka A. S. Efficiency of cutting tools with wear-resistant coatings. Moskva: Mashi-nostroyenie, 1993. P. 336.]
4. Углов В. В., Злоцкий С. В. Структура и свойства многокомпонентных покрытий на инструментальных материалах / / Современное машиностроение: наука и образование: материалы 1-й Международной научно-практической конференции / Под ред. А. Н. Евграфова, А. А. Попова. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. № 1. С. 370-379. [Uglov V. V., Zlotskiy S.V. Structure and properties of multicomponent coatings on tool materials / / Modern engineering: science and education / In: A. N. Iev-grafov, A. A. Popov. (eds.). Materials of the 1st International Scientific and Practical Conference, Polytechnic University Publishing House. St. Petersburg, 2011, P. 370-379.].
5. Износостойкость многофункциональных покрытий при лезвийной обработке резанием / Н. К. Криони, М. Ш. Мигранов, М. С. Дементьева, В. Р. Мухамадеев // Вестник УГАТУ. 2016. Т. 20, № 2 (72). С. 29-33. [Wear resistance of multifunctional coatings during blade cutting / N. K. Krioni, M. Sh. Migranov, M. S. Dementieva, V. R. Mukhamadeev // Bull. USATU 2016. Vol. 20 (2). P. 29-33.].
6. Reactive unbalanced magnetron sputter deposition of polycrystalline TiN/NbN superlattice coatings / X. Chu, S. A. Barnett, M. S. Wong, W. D. Sproul // Surf. Coat. Technol. 1993. Vol. 57. P. 13-18.
7. Hovsepian P. E., Lewis D. B., Munz W. D. Recent progress in large scale manufacturing of multilayer/ superlattice hard coatings // Surf. Coat. Technol. 2000. Vol. 133-134. P. 166-175.
8. Кавалейро А., де Хоссона Д. Мир материалов и технологий. Наноструктурные покрытия. М.: Техносфера, 2011. 298 c. [Cavaleiro A. World of materials and technologies. Nanostructured coatings. Moskva: Tech-nosphere, 2011. 298 p.].
9. Microscopy and Analysis. 1995. 36. 66 p.
10. Microscopy and Analysis. 1999. 62. 66 p.
IjlET^^BÇApKjl
METAL cUTTING
11. Microscopy and Analysis. 2000. 67. 70 p.
12. Baciocchi M., Di Fabrizio E., Gentili M., Grella L. [et al.] // Jurn. Vac. Sci. Technol. B. 1995. Vol. 13. P. 2 676.
13. Aristov V. V., Rau E. I., Yakimov E. B. // Phys. Status. so! lidi. (a). 1995. Vol. 150. P. 211.
14. Schlichting F., Berger D., Niedrig H. // Scanning. 1999. Vol. 21. P. 197.
15. Structure and phase changes in nanostructured compound coatings. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering / M. Sh. Migranov, V. R. Mukhamadeev, A. M. Migranov [et al.] // 2018. 447. 012082. D0I:10.1088/1757-899X/447/1/012082.
16. Максаров В. В., Ефимов А. Е., Осминко Д. А. Моделирование динамических процессов механической обработки в среде NILabVIEW для совершенствования
технологии изготовления деталей горных машин // Металлообработка. 2018. № 1. С. 21-28. [Maksarov V. V., Efimov A. E., Osminco D. A. Dynamic processes modeling of mechanical process in the NI LABVIEW for the improvement of manufacturing technology of parts of mining machines // Metalloobrabotka. 2018. N 1. P. 21-28.].
17. Olt J., Maksarov V. V., Efimov A. E. Impacts of gradient structure on the dynamic characteristics of machining process system / Annals of DAAAM and Proceedings of the International DAAAM Symposium. 2018. 29 (1). P. 0190-0196.
18. Maksarov V. V., Olt J. Dynamic stabilization of machining process based on local metastability in controlled robotic systems of CNC machines / / Journal of mining institute. 2017. Vol. 226. P. 446-451.
Сведения об авторах
Щипачев Андрей Михайлович, доктор технических наук, заведующий кафедрой транспорта и хранения нефти и газа, профессор, Санкт-Петербургский горный институт, 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2.
Мигранов Марс Шарифуллович — доктор технических наук, заведующий кафедрой «Основы конструирования механизмов и машин», профессор, Уфимский государственный авиационный технический университет, 450008, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. К. Маркса, д. 12.
Мухамадеев Венер Рифкатович — старший преподаватель кафедры «Основы конструирования механизмов и машин», Уфимский государственный авиационный технический университет, 450008, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. К. Маркса, д. 12.
Мухамадеев Ильшат Рифкатович — старший преподаватель кафедры «Машины и технология литейного производства», Уфимский государственный авиационный технический университет, 450008, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. К. Маркса, д. 12.
Для цитирования: Влияние композиционного наноструктурного покрытия на изменение элементного состава в поверхностных слоях режущего инструмента / А. М. Щипачев, М. Ш. Мигранов, В. Р. Мухамадеев, И. Р. Мухамадеев // Металлообработка. 2019. № 5. С. 19-25.
UDC 621.91.02(076) DOI 10.25960/mo.2019.5.19
The Influence Of composite Nanostructured coating On The change Of Elemental composition In the Surface Layers Of the cutting TooI
A. M. Schipachev, M. Sh. Migranov, V. R. Mukhamadeev, I. R. Mukhamadeev
The results of the study of the elemental composition in the surface layers of the cutting tool are presented. The content of the elemental composition in the near-surface layers of the cutting tool with a composite coating in the initial state and after annealing under pressure was analyzed by scanning electron microscopy in order to observe the changes occurring in the studied samples and determine the diffusion and structural phenomena. A decrease in the composition of tungsten in the substrate associated with the introduction of coating components in the near-surface layers of the tool was found.
Keywords: tool, coating, wear resistance, titanium, aluminum, self-organization, friction.
^nta^; authors
Schipachev Andrey Michailovich — head of the department, professor, Saint-Petersburg Mining University, 199106, Russian Federation, Saint Petersburg, 21st Line, 2.
METAL CUTTING
MEIAlL/pOBRABOTKA
ÜÜUViy
Migranov Mars Sharifullovich — head of the department, professor, Ufa State Aviation Technical University, 450008, Russian Federation, The Republic of Bashkortostan, Ufa, K. Marxa, 12.
Mukhamadeev Vener Rifkatovich — senior lecturer, Ufa State Aviation Technical University, 450008, Russian Federation, The Republic of Bashkortostan, Ufa, K. Marxa, 12.
Mukhamadeev Ilshat Rifkatovich — senior lecturer, Ufa State Aviation Technical University, 450008, Russian Federation, The Republic of Bashkortostan, Ufa, K. Marxa, 12.
For citation: The Influence Of Composite Nanostructured Coating On The Change Of Elemental Composition In The Surface Layers Of The Cutting Tool / A. M. Schipachev, M. Sh. Migranov, V. R. Mukhamadeev, I. R. Mukhamadeev // Metalloobrabotka. 2019. N 5. P. 19-25.
АО «Издательство „Политехника"» предлагает:
Свешников В. К. Станочные гидроприводы: справ. — 6-е изд., пере-раб. и доп. — СПб.: Политехника, 2015. — 627 с.: ил. ISBN 978-5-7325-1057-7
Цена: 550 руб.
Книга продается только в электронном виде!
Рассматривается информация, необходимая для проектирования и эксплуатации гидрооборудования. Приведены конструкции, параметры и размеры гидрооборудования главным образом стационарных машин, в том числе насосов, объемных гидродвигателей, гидроаппаратов, фильтров, аккумуляторов, теплообменников, приборов и сопутствующих элементов. Излагаются основы проектирования и расчета гидросистем, их монтажа и эксплуатации, тенденции развития гидрооборудования мировых лидеров, а также основополагающие отечественные стандарты и стандарты ИСО; приведены характеристики минеральных масел, размеры специальных резьб, путеводитель по интернету.
В 6-м издании (5-е изд. 2008 г.) существенно расширены сведения об импортной гидравлике, в том числе об инновационных изделиях, отсутствующих в отечественной номенклатуре. По каждому из компонентов приведены полные технические данные аналогов, выпускаемых зарубежными фирмами, признанными на российском рынке, включая основные параметры, габаритные и присоединительные размеры, расшифровки кодовых обозначений и особенности эксплуатации. Подробно описаны современные насосы и гидродвигатели, аппаратура ввертного монтажа, аппараты связи с электронными системами управления, приборы и др. Особое внимание уделено проблеме энергосбережения. В справочнике отражен современный мировой уровень развития промышленных гидроприводов.
Для инженеров-конструкторов, специалистов в области гидроприводов и обслуживающего персонала гидрооборудования стационарных машин и станков, преподавателей и студентов втузов.
Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене.
Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru
