CC BY
14TECHNICAL SCIENCES
БАГАТОШАРОВ1 НАНОСТРУКТУРН1 ПОКРИТТЯ ДЛЯ ТВЕРДОСПЛАВНОГО
1НСТРУМЕНТУ
Дубоносов В. Л.,
Старший викладач каф. оргатчного синтезу
та нанотехнологш Нацюнальний технгчний утверситет «Харьтвський полгтехнгчний iнститут», м.Хартв
Кричковская Л. В. докт.бюл.наук
Проф.. каф. органiчного синтезу та нанотехнологш Нацiональний технiчний утверситет «Харьтвський полiтехнiчний iнститут», м.Хартв
MULTILAYER NANOSTRUCTURAL COATINGS FOR CARBIDE TOOL
Dubonosov V.,
Senior Lecturer organic synthesis and nanotechnology National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv Krychkovskaya L. Doctor of Biological Sciences Prof. caf. organic synthesis and nanotechnology National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv
Анотащя
Розробка зносостшких покритпв рашше залишаеться сьогодш основным напрямком тдвищення на-дшносп рiзального шструменту для сучасно! металообробки.
Вiд змщнюючих покриттiв вимагають пвдвищених характеристик твердосл, що поеднуються з в'язкь стю, мщно! адгезiею до пiдкладки, теплостшшстю, жаростiйкiстю i iншими якостями. До таких покритпв можуть бути вщнесет багатошаровi наноструктурнi покриття (БНП) на основi рiзних нiтридiв. Змiнюючи параметри !х нанесення, можна регулювати склад, структуру, морфологш, а також товщину i к1льк1сть окремих шарiв в БНП.
Висок1 значення твердосл, стшкосл до пластично! деформаци визначають пвдвищену мiцнiсть адгезп !х з рiзними пiдкладками в порiвняннi з покриттями, де багатошарова складова вiдсутня. Одним iз шляхiв вирiшення проблеми стабшзацп структури при висок1й температурi може бути формування додаткового бар'ерного шару на основi нiтридiв тугоплавких металiв. Вирiшення такого завдання поставлено в робота
Abstract:
The development of wear-resistant coatings previously remains today the main direction of improving the reliability of cutting tools for modern metalworking.
Reinforcing coatings require increased hardness characteristics, combined with viscosity, strong adhesion to the substrate, heat resistance, heat resistance and other qualities. Such coatings can include multilayer nanostruc-tured coatings (BNP) based on various nitrides. By changing the parameters of their application, you can adjust the composition, structure, morphology, as well as the thickness and number of individual layers in the BNP.
High values of hardness, resistance to plastic deformation determine the increased strength of their adhesion to different substrates in comparison with coatings where the multilayer component is absent. One of the ways to solve the problem of stabilizing the structure at high temperature may be the formation of an additional barrier layer based on nitrides of refractory metals. The solution of such a problem is set in the work.
Ключов1 слова; рiзальний шструмент; зносостшш покриття; нанопокриття; металообробка.
Keywords; cutting tools; wear-resistant; coatings; nanocoatings; metalworkingeywords.
Перспективним методом тдвищення зносо-стшкосл шструментальних сплаив е модиф^-вання !х поверхневих шарiв шляхом обробки юн-ними пучками електронвольтних енергш. В результат тако! обробки змiнюються фiзико-хiмiчнi властивосл поверхш твердого сплаву, що обумов-лено змшами структури, фазового та хiмiчного складiв поверхневих шарiв в результат опромь нення. Параметри опромшення, такi як щiльнiсть
юнного струму, хiмiчний склад iонного пучка, ене-ргiя i доза юшв, в значнiй мiрi впливають на характер пролкання процесiв. В даний час у свгговш практищ виробництва iнструменту переважне за-стосування отримали хiмiчнi (CVD) i фiзичнi (PVD) методи синтезу покриттiв з газово! фази.
Однieю з рiзновидiв методу PVD е метод маг-нетроно-йонного розпилення (МИР, mrs-PVD). Його дiя заснована на розпиленнi матерiалу мшень катода при його бомбардуванш йонами робочого
газу, що утворюються в raa3Mi аномально тлшчого розряду. Виникаюча при цьому вторинна емiсiя щдтримуе розряд i обумовлюе розпорошення мате-рiалу мiшенi-катода.
Основнi переваги магнетронного способу роз-пилення - висока швидшсть нанесення покриття i точнють ввдтворення складу матерiалу, що розпо-рошуеться. Магнетронне розпилення дозволяе отримувати покриття практично з будь-яких мета-л1в, сплавiв i напiвпровiдникових матерiалiв без по-рушення стехiометричного складу. Залежно вiд складу робочо! атмосфери (частки кисню, азоту, дь оксиду вуглецю, сiрчистих газоподiбних сполук) можна одержувати покриття на основi оксидiв, нгг-ридiв, карбiдiв, сульфiдiв рiзних матерiалiв, в тому
Залежмсть адгезшно'1 мiцностi покриття TiN на
числ i таких, як1 неможливо отримати методом те-рмiчного випаровування.
Недолж методу полягае в тому, що склад оде-ржуваних сполук (оксидiв, карбiдiв, нiтритiв) зале-жить вщ чистоти застосовуваних газiв i матерiалiв, що розпилюються, тому потрiбнi складш системи ввдкачування газiв i високочистi матерiали для розпилення.
Це дозволяе збшьшити стiйкiсть твердосплавного шструменту з нiтрiдним покриттям типу ТьМ бiльш нiж в два рази, що пов'язано зi зростанням ад-гезшно! мiцностi нiтрiдного покриття до твердосплавного субстрату.
Табл. 1
Щильнiсть енерги ионных пучкiв, Дж/см2 Початок руйнування, Н Повне руйнування, Н1
Без обробки 2,6 4,4
1,52 3,1 4,9
2,25 3,2 5,4
3,75 2,7 6,3
У таблиц 1 на приклащ покриття TiN, нанесе-ного на твердий сплав ВК8, проiлюстровано вплив попередньо! обробки М1П на адгезiйну мщшсть по-криття.
Окремi виробники покриттiв i обладнання зок-рема Kobe Steel Ltd пропонують для 1х нанесення використовувати пбридний метод. В цьому випа-дку в конструкцш установок для формування пок-риттiв включений як дуговий випарник, так i магнетрон.
В роботi [2] зазначаеться усшшшсть викорис-тання таких покритпв за рахунок ефективного ви-користання переваг кожного методу. Використання пбридного методу нанесення покриттiв може бути засобом, що дозволяе ефективно отримувати бага-тошаровi покриття з високою продуктивною про-цесу напилення.
Метод конденсаци i юнного бомбардування (К1Б, Arc-PVD) заснований на генераци речовини катодною плямою вакуумно! дуги - потужностру-мового, низьковольтного розряду, що розвиваеться виключно в парах матерiалу катода в вакуумнш ка-мерi, металевий корпус яко! служить анодом.
Метод arc-PVD характеризуеться високою швидк1стю осадження покритпв i високим ступе-нем юшзаци матерiалу, що випаровуеться. Однак використання матерiалiв з дуже високою або низь-кою температурою плавлення утруднене, крiм того тiльки матерiали з хорошою електропровiднiстю можуть використовуватися в якосп джерела випаровування. Поряд з цим в продуктах ерози катода, крiм нейтрально! та юшзовано! складово! мiститься також значна шльшсть макрочасток речовини у ви-глядi крапель, що вимагае застосування додаткових пристро1в - сепараторiв.
В лiтературi мiстяться так1 само вiдомостi про проведеня дослвдження в областi отримання комбь нованих CVD / PVD покриттiв. Поеднання CVD- i PVD-технологш дозволяе бiльш ефективно i направлено управляти структурою i властивостями покритпв, iстотно знижуючи, таким чином, недолiки цих методiв, штегруючи при цьому значну частку
1х достошств [3-4
Процеси arc-PVD, використовуваш для формування подслоя, можуть iстотно знизити дефектнiсть перехщно! зони мiж покриттям i субстратом за-вдяки «розпорошуватися» ефекту юнно! бомбарду-вання.
Крiм шляху модершзацп апаратурною бази для отримання покритпв з полшшеними експлуата-цiйними властивостями iншим шляхом вдоскона-лення 1х властивостей е спрямована змiна складу i структури.
У вiтчизнянiй практицi для захисту рiжучого iнструменту найбiльш широко застосовуються покриття на основi систем ТьМ, Сг-М Т1-Л1-М ТьСг-Ы [2-4]. Нггрид титану широко використовуеться для збшьшення зносостiйкостi рiзального iнструменту завдяки сво1м високим механiчним властивостям (низький коефiцiент тертя, висока твердiсть). Таш властивостi покриттiв з нiтриду титану поясню-еться тим, що ця сполука мае високу енергiею зв'я-зку завдяки його висок1й температурi плавлення i твердостi знижуються як мехашчний, так i термiч-ний мехашзми активування процесу зносу твердосплавного шструменту. Головний недолш покриття на основi TiN полягае в його тенденцп до швидкого окислення до TiO2 при температурах вище 500 ° С. Це призводить до пошкодження поверхнi покриття, що значно знижуе його зносостiкi властивосп. £ поввдомлення про те, що двофазш покриття Ti + Ti2N вiдрiзняються пiдвищеною зносостiйкiстю в порiвняннi з однофазним TiN [5].
У покритп (Ti, А1) N атоми титану частково за-мiщенi атомами алюмшш. Ддаметр атома алюмiнiю менше, нiж дiаметр атома титану (Т = 0,132 нм; А1 = 0,125 нм), що призводить до деформацп кристаль чно! решiтки.
Покриття (Т^ А1) N зберiгають твердють при високих температурах i при цьому залишаються хь мiчно стаб№ними. У таблицi 1 представленi порiв-няльнi характеристики деяких сучасних зносостш-ких покриттiв [6].
Табл. 2
ДеяК властивост i3HOCOCTrnK^x PVD-покриттiв
Покриття Максимальна робоча температура, С Твердеть, ГПа Адгезшна мщшсть, Н
TiN 550 25-28 45-60
(Ti,Al)N (50/50) 700 40 35-37
CrN 200-350 16-23 35
З представлених даних видно, що стiйкiсть до окисления у покриття (Ti, А1) N (50/50) вище, н1ж у шших представлених покриттiв.
Дослiдження характеристик структури i фазового складу сформованих БНП здшснювали за до-помогою рентгешвського дифрактометра.
Дослiдження рiжучих властивостей при безпе-рервному рiзаннi (поздовжньому точiннi) здшсню-вали на токарному верстап. Режим рiзаиня: швидшсть рiзаиия V = 150 м / хв, подача S = 0,2 мм / об, глибина рiзання t = 1,0 мм при обробщ сiрого ча-вуну, швидк1сть рiзаиия V = 250 м / хв, подача S =
0,3 мм / об, глибина рiзання t = 1,0 мм при обробщ сталей, швидшсть рiзання V = 40-100 м / хв, подача S = 0,1 мм / об, глибина рiзання t = 0,5 мм при обробщ титанового сплаву ВТ20. Фшсували час ро-боти шструменту (стiйкiсть) i шлях, пройдений !м до моменту настаиня заданого зносу.
Швидшсть розпилення використовуваних ка-тодiв експериментально вимiрювалася по збитку !х маси за фiксоваиий час при постшних параметрах напиленя, що реалiзуються в експериментi.
У таблиц 3 представлено значения товщини шарiв при пошаровому наиесеннi БНП.
Табл. 3
Результати розрахунку моделi росту БНП
Склад шару Швидшсть конденсацп, нм/с Розрахована товщина шарiв, нм Дослвджена товщина шарiв, нм
Ti-N 1,43 11 -12
Zr-N 0,88 7 ~6
Cr-N 1,89 14 12
Отримаш результати сввдчать про адекватшсть застосування наведено! вище модел^ для розрахунку параметрiв нанесения багатошарових покрит-тiв по заданих товщинах шарiв.
З даних таблищ 3 видно, що присутшсть шару з мшмальною дифузiйною рухливiстю металевих елемеипв служить бар'ером для розсмоктування шарiв, пвдвищуючи таким чином термiчну стаб№-нiсть БНП.
Значения коефщеипв тертя отриманих пок-риттiв були зютавлеш з аналогiчними характеристиками багатошарових покритпв iнших складiв на твердосплавних рiзальних iнструментах, викорис-тованих для його змщнення i нанесеними на уста-новцi iонно-плазмового вакуумно-дугового напи-лення та багатокомпонентним одношаровим пок-риттям (AlCrTaTiZr)N, отриманих магнетронним напиленням.
Отримаш результати дають подставу припус-тити можливе зменшення сили рiзання в зонi контакту оброблюваних матерiалiв i рiзального шстру-менту з розробленими покриттями МНП ТьЛ1-N/Zr-Nb-N/Cr-N. Результати дозволяють говорити про розширення областей технологiчного застосування СМП з розробленими БНП як для безперерв-ного, так i переривчастого рiзання.
Висновки:
Встановлено, що введення в багатошарову наноструктуру додаткового бар'ерного шару на ос-новi ZrN мiж шарами Ti-Al-N i СгЫ призводить до шдвищення !! термiчно! стабiльностi.
Список литературы
1. Б.У Асанов, В.П Макаров Нитридные по-
крытия, полученные вакуумно-дуговым осаждением. /Вестник КРСУ. 2002. № 2, с. 1 - 3.
2. И.В. Блинков, В.Н. Аникин, Р.В. Кратох-вил, М.И. Петржик Получение и свойства износостойких комбинированных PVD/CVD- покрытий на твердосплавном инструменте / Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2010. № 1, с. 37-43.
3. И.В. Блинков, В.Н. Аникин, Н.А. Соболев Разработка «гибридного» процесса получения износостойких покрытий на основе ионно-плазмен-ного дугового и магнетронного распыления/ И.В..// Изв. Вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2009. № 4, с. 41 - 46.
4. А.С. Верещака, А.В. Дачева, А.И. Аникеев Повышение работоспособности режущего инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов путем комплексного применения наноструктур износостойкого покрытия и твердых сплавов оптимального состава / Известия МГТУ МАМИ. 2010, №1, С. 99-106.
5. В.А. Фальковский, Л.И. Клячко, В.А. Смирнов Нано кристаллические и ультрадисперсные порошки вольфрама, карбида вольфрама и вольфрамо-кобальтовые твердые сплавы на их основе /М.: Обзор-М, 2004 г, с. 105.
6. Pulsed-plasma assistedmagnetron methods of depositing TiN coatings/ J. Walkowicza, K. Miemika, A. Zykovb, S. Dudinb, V. Farenikc// Surface and Coatings Technology. 2000. Vol. 125. p. 341-346.
7. Nano-multilayered CrN/BCN coatings for anti-wear and low friction applications/ K.Yamamoto, Hirotaka Ito, S. Kujime// Surface and coatings technology. 2007. Vol. 201, p. 5244 - 5248.
