Влияние поверхностей раздела на свойства и разрушение режущего инструмента с наноструктурированными ионно-плазменными покрытиями Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.3

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ РАЗДЕЛА НА СВОЙСТВА И РАЗРУШЕНИЕ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫМИ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

© Н.А. Ширманов

Ульяновский государственный технический университет, г. Ульяновск, Россия, e-mail: [email protected]

Ключевые слова: ионно-плазменные покрытия; микрослоистость; разрушение; режущий инструмент.

Представлены результаты исследований ионно-плазменных покрытий для режущего инструмента. Проанализированы физико-механические, структурные и адгезионно-прочностные свойства покрытий и композиции «покрытие-инструментальная основа». Состав и конструкция покрытий испытана при резании стали.

Современное машиностроение невозможно без использования высококачественного режущего инструмента (РИ), на рабочие поверхности которого нанесены износостойкие ионно-плазменные покрытия. Известно, что покрытия позволяют сдерживать процессы разрушения контактных площадок РИ, поэтому для повышения работоспособности РИ находят применение наноструктурированные многоэлементные и многослойные покрытия.

Исследование процесса изнашивания РИ с покрытием показало, что причиной разрушения покрытия является образование трещин на контактных площадках инструмента вследствие склонности режущей части инструмента к упругопластическим деформациям, а также недостаточно высокая трещиностойкость покрытия и прочность его адгезионной связи с инструментальной основой (ИО). Поэтому исследование указанных причин, приводящих к образованию трещин и разрушению покрытия, является актуальной задачей.

Ионно-плазменные покрытия наносили на установке «Булат-6Т» на твердосплавные пластины группы ВК. Структурные исследования образцов с покрытиями и остаточных макронапряжений в покрытии проводили методами рентгеновской дифрактометрии на установке «ДРОН-М» с использованием фильтрованного CuKa-излучения в режиме пошаговой съемки. Микротвердость покрытий Нц измеряли с использованием пирамиды Кнупа. Исследование модуля упругости E и упругого восстановления We проводили с помощью нанотвердомера Nano-Hardness Tester, CSEM. Прочность сцепления покрытия с инструментальной основой оценивали методом вдавливания алмазного конического индентора с использованием твердомера ТК-2М и при царапании на приборе Revetest, CSM Instrument. Процесс трещинообразования и разрушения покрытий исследовали на металлографическом микроскопе Carl Zeiss, РЭМ Hitachi и Jeol. Работоспособность РИ с покрытием определяли по периоду стойкости при точении и фрезеровании нержавеющей стали 12Х18Н10Т, без СОЖ. Исследовали твердосплавные пластины

ВК6М с однослойными и многослойными покрытиями на основе нитридов и карбонитридов Т1, Б1, 7г, Сг, Та, Ш и сравнивали с РИ с покрытием

Исследованиями установлено, что наноструктури-рованные многоэлементные и многослойные покрытия, имеющие в своем составе различные металлические и неметаллические компоненты, в сравнении с простыми (однокомпонентными) покрытиями на основе нитридов и карбонитридов тугоплавких металлов, имеют более высокие физико-механические и адгезионно-

прочностные свойства. Указанные покрытия обладают более высокими упругими характеристиками и, как следствие, более высоким сопротивлением процессам трещинообразования и пластической деформации РИ с покрытием. Данные свойства наиболее присущи слоистым покрытиям, имеющим в своей конструкции определенное количество слоев (искусственно созданных поверхностей раздела), служащих преградой процессу трещинообразования и преждевременного разрушения ионно-плазменных покрытий. Именно об этом свидетельствуют результаты индентирования покрытий и их скратч-тесты, показывающие, что для слоистых покрытий требуются более высокие нагрузки для появления трещин и начала процесса отслоения покрытия от основы.

Следует отметить, что введение в состав покрытий на основе ТЫ и Т1СЫ легирующих металлов, как в отдельности, так и совместно, способствует повышению уровня микродеформации кристаллической решетки. Причем совместное введение в состав покрытия металлов и неметаллов обеспечивает более существенное изменение параметров структуры покрытия (а, рш, оо). Очевидно, следует ожидать от многоэлементных покрытий сложного состава более высоких физикомеханических свойств, о чем и свидетельствует величина микротвердости Нц и остаточных макронапряжений оо, которые формируют упругопластические характеристики покрытий (Е и Ше) и адгезионнопрочностные свойства композиции «покрытие - ИО». Все указанные изменения механических (увеличение

микротвердости Нц в 1,5-1,8 раза, модуля упругости Е на 10-15 % и упругого восстановления Ше на 10-20 % по сравнению с покрытием ТІК) и адгезионнопрочностных свойств покрытий, легированных металлами, а также создание искусственной слоистости, существенным образом тормозят процесс трещинообразования и разрушения покрытий, что не может не сказаться на изнашивании и разрушении РИ при обработке нержавеющей стали. Все это позволяет увеличить период стойкости РИ с разработанными покрытиями в 1,7-3,5 раза по сравнению с РИ с покрытием ТІК, несмотря на то, что процесс резания происходит в условиях доминирующего адгезионно-усталостного износа и высоких среднеконтактных температур.

Проведенными исследованиями было установлено, что динамика образования трещин на РИ с покрытием зависит от состава, конструкции и свойств осаждаемого покрытия. Нанесение наноструктурированных ионно-плазменных покрытий существенно снижает упругопластическую деформацию режущего клина РИ, при этом в большей степени это обеспечивают слоистые

многоэлементные покрытия. Данные характеристики разработанных покрытий связаны с их высокими физико-механическими и упругими свойствами, высоким уровнем сжимающих остаточных напряжений в самом покрытии и снижением этого уровня на границе раздела «покрытие - ИО», а также наличием в них микрослоистости, служащей фактором торможения процесса развития трещин в покрытии.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Shirmanov N.A. Influence of the interfaces division on properties and fracture of the cutting tool with nanostructured ion-plasma coatings.

Results of steadfastness tests of the cutting tool with ion-plasma coatings are presented. Physic mechanical, structural and adhesion-strength properties of a ion-plasma coatings and a composition «coating-tool basis» are analyzed. Composition and construction of coatings of during cutting steel are tested.

Key words: ion-plasma coatings; fracture; multilayers; cutting tool.