CC BY
0
МАШИНОСТРОЕНИЕ
Научная статья УДК 621.9.025
doi: 10.61527/1684-7016-2023-4-22-26
Влияние толщины и состава верхнего слоя двухслойного покрытия на циклическую трещиностойкость и работоспособность твёрдосплавного режущего инструмента
Владимир Петрович Табаков1 Никита Сергеевич Штубов2
^Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск, Россия 1 vpt1947@yandex.ru
Аннотация. Представлены результаты исследований по влиянию толщины и состава верхнего слоя двухслойных покрытий на циклическую трещиностойкость и работоспособность твердосплавного режущего инструмента. Показано, что зависимость циклической трещиностойкости и периода стойкости твердосплавного режущего инструмента от толщины верхнего слоя имеет экстремальный характер, а их максимальные значения наблюдаются при одной и той же толщине верхнего слоя. Варьирование толщиной верхнего слоя в пределах 2-6 мкм приводит к изменению периода стойкости от 10% до 30%. Ключевые слова: покрытие, циклическая трещиностойкость, режущий инструмент, период стойкости.
MACHINE-BUILDING
Scientific article
The influence of the thickness and composition of the top layer of a two-layer coating on the cyclic crack resistance and performance of carbide cutting tools
Vladimir P. Tabakov1 Nikita S. Shtubov2
uUlyanovsk State Technical University, Ulyanovsk, Russia lvpt1947@yandex. ru
Abstract. The results of studies on the effect of the thickness and composition of the upper layer of two-layer coatings on the cyclic crack resistance and operability of a carbide cutting tool are presented. It is shown that the dependence of cyclic crack resistance and the durability period of a carbide cutting tool on the thickness of the upper layer is extreme, and their maximum values are observed at the same thickness of the upper layer. Varying the thickness of the top layer within 2-6 microns leads to a change in the durability period from 10% to 30%. Keywords, coating, cyclic crack resistance, cutting tool, durability period.
Введение. Применение многослойных покрытий, получаемых методом конденсации вещества в вакууме, позволяет существенно повысить работоспособность режущего инструмента по сравнению с одноэлементными покрытиями [1-5]. Эффективность многослойных покрытий зависит от их архитектуры. Учитывая, что разрушение по-
© Табаков В. П., Штубов Н. С., 2023
крытия в процессе резания происходит в результате образования в них трещин [2, 5], важная роль в архитектуре многослойного покрытия отводится верхнему слою. Данный слой, с одной стороны, обеспечивает благоприятные условия контактного взаимодействия стружки с покрытием, что ведёт к снижению эквивалентных напряжений, вызывающих образование трещин в покрытии на передней поверхности.
С другой стороны, сдерживает процессы тре-щинообразования в покрытии за счёт формирования в них в процессе резания высоких нормальных сжимающих напряжений [2], которые тем выше, чем больше механические свойства и остаточные сжимающие напряжения покрытий. Высокие нормальные сжимающие напряжения, в свою очередь, способствуют росту циклической трещи-ностойкости покрытий, которая определяется временем работы режущего инструмента до образования трещин в покрытии [2]. Существенное влияние на циклическую трещиностойкость оказывает состав покрытий и их толщина.
Цель работы. Исследование влияние толщины и состава верхнего слоя двухслойного покрытия на циклическую трещиностойкость и работоспособность твердосплавного инструмента.
Методика исследований. Исследовали двухслойные покрытия TiN-TiCN, TiN-TiAlN, TiN-TiZrN и TiN-TiZrCrN, толщиной 8 мкм. Покрытия наносили на твердосплавные пластины МК8 на установке «Булат-6» с использованием катодов из титана, сплава титана и алюминия и составных катодов из титана со вставкой циркония и из циркония со вставкой хрома. Циклическую трещиностойкость (Тц) определяли по методике работы [7]. Работоспособность твердосплавного инструмента оценивали по периоду стойкости (Т) при токарной обработке заготовок из стали 5ХНМ и величине фаски износа 0,5 мм.
Результаты исследований. Химический состав и механические свойства функциональных слоев двухслойных покрытий на основе многоэлементных нитридов в сравнении с TiN представлены в табл. 1. Все многоэлементные покрытия являются однофазными. В качестве примера на рис. 1 представлен фрагмент дифрактограммы покрытия TiZrCrN, на которой наблюдается одна фаза TiN.
Как видно из табл. 1, многоэлементные покрытия по сравнению с TiN имеют более высокие значения микротвёрдости (Н^), модуля упругости (Е), вязкости разрушения (Kien) и остаточных
Химический состав и i
сжимающих напряжений (о 0ст). При этом наибольшую величину указанных параметров имеет трёхэлементное покрытие Т12гС^. В то же время для многоэлементных покрытий (за исключением покрытия Т1АВД) характерна меньшая прочность адгезии, о чем свидетельствует большая величина коэффициента отслоения (Ко).
Исследования по влиянию толщины верхнего слоя, соответственно, 2, 4 и 6 мкм на циклическую трещиностойкость двухслойных покрытий проводили при токарной обработке заготовок из стали 5ХНМ на режиме резания - У=160 м/мин, 8=0,3 мм/мин и 1=0,5 мм. Результаты исследований представлены на рис. 2. Как видно, зависимость циклической трещиностойкости от толщины верхнего слоя имеет экстремальный характер. Для всех покрытий максимальная величина Тц наблюдается при толщине верхнего слоя, равного 4 мкм. Наибольшую циклическую трещиностойкость имеет покрытие Т1^Т12гСгК, которая больше по сравнению с покрытиями Т1^Т1АВД и
соответственно, в 2,4 раза, в 1,48 раза ив 1,3 раза. Более высокие значения циклической трещиностойкости двухслойного покрытия с верхним слоем Т12гС^ объясняется их высокими механическими свойствами и остаточными сжимающими напряжениями (табл.1), что способствует формированию в них в процессе резания высоких нормальных сжимающих напряжений (Ео), тормозящих процессы трещинообразования. Как показано в работе [6], нормальные сжимающие напряжения в данных покрытиях выше, чем в двухэлементных покрытиях, на (15...33)%. Циклическая трещиностойкость может быть повышена за счёт нанесения в двухслойное покрытие дополнительного промежуточного слоя. В табл. 2 показано, что нанесение промежуточного слоя TiCN в двухслойное покрытие приводит к росту напряжений Ео и вязкости разрушения Кюп в верхнем слое покрытия на 9 % и цикличе-
ской трещиностойкости покрытия на 24,6%.
Таблица 1
анические свойства покрытий
Покрытие Содержание элементов в покрытии, мае. % Механические свойства Ф ост? МПа
Ti Zr Cr Al Д", ГПа Е, ГПа Kien, МПа-м'/2 Ко
TiN 100 - - - 29,1 307 12,29 1,07 -775
TiAIN 82,45 - - 17,55 37,8 369 14,77 0,91 -902
TiZrN 84,37 15,63 - - 36,6 379 14,44 1,32 -1256
TiZrCrN 80,44 13,47 6,09 - 41,8 404 14,37 1,55 -1413
J,
ИМП.
1000
500
1 riN
1 L TiC t»A»v4 WC Л
30 35 40 45 29° Рис. 1. Фрагментдифрактограммы трёхэлементного покрытия TiZrCrN
Тц, мин i0
30
20
10
5
3 ^
1 /
2 t, h, мкм
Рис. 2. Влияние толщины верхнего слоя (А)
на циклическую трещиностойкость (Тц): 1 - TiN-TiCN, 2 - TiN-TiAlN, 3 - TiN-TiZrN, 4 - TiN-TiZrCrN
Таблица 2
Влияние архитектуры многослойного покрытия на показатели напряжённого состояния
Покрытие TiN-TiZrN TiN-TiCN-TiZrN
Ес,МПа -3061 -3346
К1Сп, МПа-мй 19,39 21,19
Тц, мин 20,59 25,66
Примечание: значения величин Ее и Кюп приведены для верхнего слоя
Т. мин
1 1 2 1 2
2 1 1 3 3
а/ 5) б1
Рис. 3. Влияние толщины верхнего слоя (А) на период стойкости твёрдосплавных пластин МК8: 1, 2, 3 - покрытия, соответственно, TiN-TiAlN, TiN-TiZrN, TiN-TiZrCrN; а,б, в - толщина А, соответственно, 2,4 и 6 мкм; V=160 м/мин, s=0,15 мм/об, t=0,5 мм
T, мин
V 1 3
AJ 1} Jj
160 180 v- м/нш
Рис. 4. Влияние скорости резания (V) на период стойкости (Т) твердосплавных пластин МК8: 1,4 - TiN-TiZrCrN, 2, 5 - TiN-TiZrN, 3,6- TiN-TiAlN; 1,2,3- h = 4 мкм, 4, 5, 6 - h = 2 мкм; s = 0,15 мм/об, t = 0,5 мм
Влияние толщины верхнего слоя на период стойкости твердосплавных пластин МК8 представлено на рис. 3. Повышение толщины верхнего слоя с 2 мкм до 4 мкм ведет к росту периода стойкости твердосплавных пластин с двухслойными покрытиями, дальнейший рост толщины верхнего слоя снижает период стойкости. Такая тенденция наблюдается для всех двухэлементных покрытий.
Как видно из рис. 3, наибольший период стойкости твердосплавных пластин МК8 имеет место при толщине верхнего слоя покрытия, равной 4 мкм, независимо от его состава. Так, период стойкости пластин МК8 с покрытием TiN-TiZrCrN с толщиной верхнего слоя, равной 4 мкм, выше по сравнению с покрытиями, имеющими толщину слоя 2 мкм и 6 мкм на (11... 30) %. При использовании покрытий TiN-TiAlN и TiN-TiZrN это различие составляет, соответственно, (28...12) % и (30...25) %. Анализ данных, представленных на рис. 2 и 3, показывает, что максимальный период стойкости твердосплавных пластин наблюдается при максимальной трещиностойкости покрытий, независимо от толщины верхнего слоя.
Исследование работоспособности твёрдо-сплавных пластин МК8 с двухслойными покрытиями с толщинами верхнего слоя 2 мкм и 4 мкм проводили при токарной обработке заготовок из стали 5ХНМ на скоростях резания V = 160-180 м/мин, s = 0,15 мм/об и t = 0,5 мм. Установлено, что во всём диапазоне скорости резания максимальный период стойкости имели пластины с двухслойными покрытиями с толщиной верхнего слоя 4 мкм. Коэффициент повышения стойкости для них составил 1,2-1,9 по отношению к двухслойным покрытиям с толщиной верхнего слоя 2 мкм. При этом наибольший период стойкости твёрдосплавных пластин МК8 обеспечивают двухслойные покрытия TiN-TiZrCrN, период-выше по сравнению с покрытием TiN-TiZrN в 1,27-1,23 раза, а по сравнению с TiN-TiAlN - в 1,48-1,3 раза в зависимости от скорости резания.
Проведённые исследования позволили выявить взаимосвязь работоспособности режущего инструмента и циклической трещиностойкости двухслойных покрытий с толщиной и составом их верхнего слоя.
СПИСОК источников
1. Верещака А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. Москва: Машиностроение, 1993. 336 с.
2. Табаков В. П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента. Москва: Машиностроение,2008. 311 с.
3. Vereschaka A., Tabakov V., Grigoriev S., Sit-nikov N., Andreev N., Milovich F. Investigation of wear and diffusion processes on rake faces of carbide inserts with Ti-TiN-(Ti,Al,Si)N composite nanostruc-tured coating // Wear, 2018, 416-417, pp. 72-80.
4. Табаков В. П., Худобин Л. В. Повышение работоспособности твёрдосплавного инструмента путём направленного выбора механических свойств слоев многослойного покрытия с учётом функциональных параметров процесса резания // Упрочняющие технологии и покрытия. 2018. №9. С.414-416.
5. Табаков В. П., Верещака А. С., Верещака А. А., Батако А. Д. Методологические подходы к формированию многослойных покрытий на режущем инструменте // Вестник машиностроения. 2015. №9. С. 82-88.
6. Табаков В. П., Верещака А. С., Григорьев С. Н., ВерещакаА. А. Принципы формирования и
технологии нанесения износостойких покрытий режущего инструмента: учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Ульяновск: УлГТУ, 2023. 227 с.
7. Табаков В. П., Смирнов М. Ю., Тулисов
A. Н., Чихранов А. В. Методика расчёта трещино-стойкости многослойных покрытий режущего инструмента // Упрочняющие технологии и покрытия. 2010. №3,С.43-48.
Информация об авторах
B. П. Табаков - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Инновационные технологии в машиностроении» УлГТУ;
Н. С. Штубов - аспирант кафедры «Инновационные технологии в машиностроении» УлГТУ.
REFERENCES
1. Vereshchaka A. S. Rabotosposobnost' rezhush-chego instrumenta s iznosostojkimi pokrytiyami [Performance of cutting tools with wear-resistant coatings]. Moscow, Mashinostroenie, 1993. 336 p.
2. Tabakov V. P. Formirovanie iznosostojkih ionno-plazmennyh pokrytij rezhushchego instrumenta [Formation of wear-resistant ion-plasma coatings of cutting tools]. Moscow, Mashinostroenie, 2008. 311 p.
3. Vereschaka A., Tabakov V., Grigoriev S., Sit-nikov N., Andreev N., Milovich F. Investigation of wear and diffusion processes on rake faces of carbide inserts with Ti-TiN-(Ti,Al,Si)N composite nano-structured coating. Wear, 2018, 416-417, pp. 72-80.
4. Tabakov V. P., Khudobin L. V. Povyshenie rabotosposobnosti tverdosplavnogo instrumenta putyom napravlennogo vybora mekhanicheskih svojstv sloev mnogoslojnogo pokrytiya s uchyotom funkcional'nyh parametrov processa rezaniya [Increasing the performance of carbide tools by targeted selection of the mechanical properties of multilayer coating layers taking into account the functional parameters of the cutting process]. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya [Hardening technologies and coatings], 2018. No. 9. pp. 414-416.
5. Tabakov V. P., Vereshchaka A. S., Vereshchaka A.A., Batako A. D. Metodologicheskie podhody k formirovaniyu mnogoslojnyh pokrytij na rezhush-chem instrumente [Methodological approaches to the formation of multilayer coatings on cutting tools]. Vestnik mashinostroeniya [Bulletin of Mechanical Engineering], 2015.No. 9. pp. 82-88.
6. Tabakov V. P., Vereshchaka A. S., Grigoriev S.N., Vereshchaka A. A. Principy formirovaniya i tekhnologii naneseniya iznosostojkih pokrytij rezhushchego instrumenta : uchebnoe posobie [Principles of formation and technology of applying wear-resistant coatings for cutting tools: textbook], 2nd ed., pererab. i dop [revised, and additional]. Ulyanovsk, U1STU, 2023.227 р.
7. Tabakov V. P., Smirnov M. Yu., Tulisov A. N., Chikhranov A. V. Metodika raschyota treshchi-nos-tojkosti mnogoslojnyh pokrytij rezhushchego instrumenta [Methodology for calculating the crack resistance of multilayer coatings of cutting tools]. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya [Strengthening technologies and coatings]. 2010. No. 3. pp. 43-48.
Information about the authors
V. P. Tabakov - doctor of technical sciences, professor, professor of the Department of «Innovative technologies in mechanical engineering» UlSTU; N. S. Shtubov - postgraduate student of the Department of «Innovative technologies in mechanical engineering», Ulyanovsk State Technical University.
Статья поступила в редакцию 04.12.2023; одобрена после рецензирования 14.12.2023; принята к публикации 15.12.2023.
The article was submitted 04.12.2023; approved after reviewing 14.12.2023; accepted for publication 15.12.2023.
