CC BY
26
-□ □-
Методом низькотемпературног iмплантацii були отриман модифшован покриття нтриду титану i хрому на тдкладках тструменталь-них сталей. Уцш статтi вивчаються структура i фiзико-мехашчт властивостi цих покрит-тiв, а також гх використання в якостi захисних покриттiв на дрiбнорозмiрному iнструментi. В результатi проведення експериментальних дослиджень отримаш захисш покриття висо-ког якостi
Ключовi слова: юнна iмплантацiя, титан, хром, модифтоване покриття, експлуатацш-
на стштсть
□-□
Методом низкотемпературной имплантации были получены модифицированные покрытия нитрида титана и хрома на подкладках инструментальных сталей. В настоящей статье изучаются структура и физико-механические свойства этих покрытий, а также их использование в качестве защитных покрытий на мелкоразмерном инструменте. В результате проведения экспериментальных исследований получены защитные покрытия высокого качества
Ключевые слова: ионная имплантация, титан, хром, модифицированное покрытие, эксплуатационная стойкость -□ □-
УДК 533.59
|DOI: 10.15587/1729-4061.2014.27971
ПОЛ1ПШЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦ1ЙНОТ СТ1ЙКОСТ1 ДР1БНОРОЗМ1РНОГО 1НСТРУМЕНТУ МЕТОДОМ НИЗЬКО-ТЕМПЕРАТУРНОТ 1МПЛАНТАЦП 1ОН1В
Л. О. Васецька
Кандидат техшчних наук, старший викладач Кафедра загальноТ фiзики та техшчноТ механки 1нститут хiмiчних технолопй СхщноукраТнського нацюнального ушверситету ím. Володимира Даля (м. Рубiжне) вул. Ленша, 31. м. Рубiжне, Луганська обл., УкраТна, 93009 Е-mail: [email protected]
1. Вступ
Сучасна стратепя промислово! полiтики в област машинобудування передбачае нарощування темпiв виробництва продукцп високого технологiчного рiв-ня, при цьому одшею з iстотних проблем е знос шструменту, деталей машин ^ як наслiдок, знижен-ня 1х експлуатацiйноi стiйкостi та продуктивност виробництва. При цьому для виробника особливо важливим е не тшьки застосування зносостшкого iн-струменту, але й зменшення витрат на його придбан-ня. Одним з шляхiв зниження витрат е замша дорогих матерiалiв дешевшими. Проте така замша призводить до зниження ресурсу роботи шструменту i деталей машин [1, 2].
Зважаючи на цю проблему актуальним завданням щодо тдвищення експлуатацiйноi стiйкостi дрiбно-розмiрного iнструменту являеться отримання поед-нання високо! твердостi i мiцностi поверхневого шару та високо! пластичностi основи виробу шляхом змши мiкроструктури робочо! поверхнi за допомогою методу обробки приповерхнево! областi матерiалу, який буде не тшьки ефективним, але й економiчним.
2. Лiтературний огляд i постановка проблеми
Продовження термшу служби шструменту i деталей машин ниш е актуальним i можливим за допомо-
гою методiв, як не вимагають великих енергетичних витрат i в той же час враховують ряд чинникiв, як в сукупностi роблять iстотний вплив на зменшення зносу [3, 4]: змша структури поверхнi, пiдвищення твердост поверхнi, збiльшення адгезшно-когезш-ного зв'язку.
Вщома безлiч методiв, якi штотно пiдвищують експлуатацiйнi властивостi матерiалiв. Так, напри-клад, при вакуумно-дуговому методi для шдви-щення твердостi на 30 % та зносостшкоси поверхш застосовують високодозну iмплантацiю iонiв, в про-цесi тако! обробки температура шдкладки варжеть-ся вiд 250 °С [5] до 500 °С [6]; вiдомим методом електронно-променево! обробки тдвищують стш-кiсть в 1,8 рази шсля опромiнення свердел зi швид-корiзальноi сталi електронами високих енергш [7]; пiдвищення ресурсу роботи рiзального iнструменту в 3-4 рази отримують осадженням покриттiв за допомогою магнетрона при нагрiвi шдкладки до 350 °С [8]. Для досягнення необхщного результату застосовують також поеднання в собi декшькох методiв [9, 10]. При цьому в« методи е енергоемними, оскшьки супроводжуються застосуванням високих доз впро-ваджуваних iонiв i високих температур в процес обробки матерiалiв.
Разом з цими методами вщомий метод юнно! iмплантацii, який вiдрiзняеться порiвняно малою енергоемнiстю i враховуе не лише чинники, сприя-ючi зниженню зносу, але i супроводжуеться низько-
©
температурними процесами, що не викликае викри-влення дрiбнорозмiрного iнструменту [11, 12]. Проте цей метод все-таки недостатньо дослщжений в по-трiбному напрям^ тому доцiльнiсть застосування низькотемпературно' iмплантащi для полiпшення експлуатацiйних властивостей шструменту, виго-товленого з iнструментальних сталей, вимагае по-дальшого вивчення.
3. Мета та задачi дослiджень
Основною метою роботи е виявлення дощльност застосування низькотемпературно! iмплантацii для полшшення експлуатацiйних властивостей дрiбно-розмiрного сталевого шструменту.
Для досягнення поставлено! мети виршувалися наступш задачi:
- пiдбiр оптимальних параметрiв iмплантацii для отримання яюсних покриттiв;
- встановлення взаемозв'язку мiж фiзико-механiч-ними властивостями поширених в машинобудуваннi сталей i експлуатацшною стiйкiстю дрiбнорозмiрного iнструменту, виготовленого з цих сталей.
5. Результати експерименту з визначення взаемозв'язку мiж фiзико-механiчними властивостями модифжовано! поверхнi дрiбнорозмiрного сталевого шструменту i його експлуатацiйною стiйкiстю та ¡х обговорення
Оптичнi дослщження показали, що в процесi мо-дифiкацii пiдкладок iнструментальноi сталi ХВГ ю-нами Ti i N вщбуваеться утворення дрiбнозернистоi структури (рис. 1).
4. Оптимальш параметри низькотемпературно¡ iмплантащ¡ i методика дослщжень модифiковано¡ поверхнi iнструментальних сталей
В якост пiдкладки були використанi зразки сталей ХВГ i Р18 в кiлькостi 20 штук. В пiдкладку одночасно iмплантувалися iони робочого газу азоту i легуючого матерiалу мiшенi. Використовували мшеш титану i хрому. 1мплантащя проводилася при кiмнатнiй тем-пературi i робочому тиску газу 3,32-10-2 Па. Пiдкладки були зваженi до i пiсля iмплантацii на аналггичних вагах моделi ВЛР-200Г.
Для отримання яюсних покриттiв пiдiбрано оптимальш режими iмплантацii згiдно [1]: ирозряду=400 В,
!розряду=0,5А, им1шен1=2 кВ, 1м1шен1=50 мА, ишдкл. =25 кВ,
1шдкл.=35 мА. Час iмплантацii варiювався вщ 10 до 110 хвилин. Доза юшв, упроваджених в пiдкладку складала 5,73-1016-6,73-1017 iон/см2.
При виявленнi рiзних фаз в поверхневому шарi сталевих зразюв використовувалася рентгешвсь-ка установка ДРОН-4 з рентгенiвською трубкою БСВ-22 iз СuКa-випромiнюванням. Для вивчення зернистост структури зразка використовувалися вертикальний м^роскоп МИМ-7 i горизонтальний мiкроскоп МИМ-8. Дослiдження поперечного зрь зу системи «шдкладка-покриття» проводилося за допомогою металографiчного мiкроскопа МИМ-8. Для чого попередньо отримували мiкрошлiфи, проводили '¿х шлiфування, полiрування i травлення по-верхнi мiкрошлiфiв розчином 4 % HNOз в етиловому спиртi. Вимiрювання мiкротвердостi та склероме-тричнi випробування проводилися на стандартному приладi ПМТ-3 при навантаженнях на iндентор вщ 15 до 35 г. Ширина подряпин вимiрювалася за допомогою об'ект-мжрометра ОМО з цiною под^ки 0,01 мм. Всi дослiдження проводилися згщно загально-прийнятих методик.
Рис. 1. Структура ст^ ХВГ до iмплантацN х1320
При використаннi хромово' мiшенi на в«х часах iмплантацii сталi Р18 розмiр зерна практично не змь нюеться (рис. 2), що пов'язано з превалюванням утворення фази штриду хрому, оскiльки цей метал знахо-диться i в мшеш, i у складi пiдкладки модифжованого покриття.
Рис. 2. Структура сталi ХВГ шсля 55 хв iмплантацN х1320
Наявнiсть фаз CrN пiдтверджуеться в результат рентгенографiчного аналiзу покриття на тдкладщ iнструментальноi сталi (рис. 3 а, б).
Вимiрювання товщини модиф^ованого шару (рис. 4) показали, що при опромшюванш сталi ХВГ юнами титану i азоту твердофазнi реакцп перешкод-жають протiканню глибинно' дифузп, адже в сильно-легованiй сталi окрiм атомiв вуглецю присутнi атоми хрому, марганцю i ванадiю. Тому максимальна товщи-на шару складае 0,63 мкм, а залежшсть товщини мо-
дифжованого шару вщ часу на пщкладках шструмен-тальних сталей до 40 хвилин iмплантащi е лiнiйною, а шсля 40 хвилин - параболiчною.
мано при iмплантацii iонiв титану (рис. 7) в порiвнян-ш з iмплантацiею iонiв хрому - 2,156 ГПа.
1 1 1 |||| 1 1 И 1 М 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 Я! 9. 1 ' 92 1 88' 8 |1|1 5' 821 ||| 731 7 1' ;' 72' |И б«1 6 5' 6 1' 1 . II | 81 55' 5' 1 1 1 4 8' 45' 4 1 2'
Кут вщображення ренггешвського променя 20,град а
СгМ(1.0Э7 А) 1''еСг(1,13 А)
014(1,25 А) 1''е(2,02 А) IГеСг(1,33 А) РеСг( 1,76 А)
Ш
Ж
Рис. 4. Оптичний знiмок поперечного зрiзу покриття на шдкладки сталi ХВГ при 55 хв iмплантацN х1950
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
в
I— Час ¡мпланташТ 1,хв
Рис. 5. Граф1к залежносл товщини модиф1кованого покриття 8, мкм на шдкладки ст^ Р18 вщ часу iмплантацN жтриду хрому t, хв
' 95' 92" I 88' 85' 821 I 78" 75' 72" I 68" 65' 62' I 581 55' 52' I 48' 45' 42' I
»0' 8<У 70' 6(1' 50' 40'
Кут вщображення ренггеншського променя 20,град
Рис. 3. Дифрактограма покриття, отриманого на сталi Р18: а — шсля 50 хвилин; б — шсля 90 хв iмплантацN штриду хрому
Над глибинною дифузiею превалюе iнтенсивне утворення фаз СШ i W2N (Р18-18 % W) при викори-станнi мшеш Сг для створення модифiкованого шару на сталi Р18 (рис. 3 а, б) , що сприяе лшшному росту покриття iз зб^ьшенням часу iмплантацii (рис. 5). Максимальна товщина покриття 0,94 мкм.
Вимiрювання мiкротвердостi модифiкованих нiтридних покриттiв показали и нелiнiйний характер: на 30 хвилинах iмплантацii iонiв титану i азоту в тд-кладку iнструментальноi сталi ХВГ вона досягае ве-личини 8,45 ГПа (рис. 6), що пояснюеться утворенням при цьому чаа твердих фаз нiтриду мшеш i елементiв пiдкладки. Зниження твердост iз збiльшенням часу iм-плантацп пов'язане iз впровадженням iонiв углиб грат.
Б^ьш однорiдна залежнiсть мжротвердост вiд часу iмплантацii iонiв хрому i азоту в пiдкладку ш-струментально'! сталi на вiдмiну вщ залежностi при використаннi титановоi мшеш пояснюеться однорщ-нiстю фазового складу. Максимальне значення твер-достi композицп при використаннi в якостi пщкладки iнструментальноi сталi Р18 рiвна 5,41 ГПа.
Про достатньо сильний адгезшно-когезшний зв'я-зок покрить з шструментальними сталями свiдчать ре-зультати склерометричних дослщжень. Максимальну величину адгезiйно-когезiйного зв'язку 5,77 ГПа отри-
Рис. 6. Граф^ залежностi твердостi модифiкованого покриття Н, ГПа сталi ХВГ вщ часу iмплантацN нiтриду титану ^ хв.: 1 — твердiсть композици; 2 — твердiсть пщкладки
Це безпосередньо пов'язано iз зменшенням зерна при iмплантацii сталi iонами азоту i титану. Дрiбнозер-ниста структура е шдльшшою, тому зчеплення основи з покриттям тим бшьше, чим дрiбнiше зерно. Крiм того, вiзуально видно, що при будь-якому чаа iмплантацii покриття повнiстю не вщдшяеться вiд пiдкладки (рис. 8), що свщчить про хорошi пластичш властивостi матерiалу.
Отриманi модифiкованi шари на сталi Р18 були ви-користанi в якостi захисних покрить на робочi кромки дрiбнорозмiрного шструменту: ножi i диски в'язального устаткування на в'язальному пiдприемствi (м. Рубiж-не). Технологiчнi дослiдження показали ефектившсть використання модифiкованого iнструменту (рис. 9).
За весь час технолопчних випробувань поверхш з покриттям мали б^ьшу стiйкiсть порiвняно з необро-бленим шструментом, виготовленим з тiеi ж стал!
я 7
Е
о
3
с о со
ШГ
20
40
60
80
100
120
Час ¡мплантацй 1. кв. Рис. 7. Графк залежностч величини адгези модифкованого покриття Н, ГПа ст^ ХВГ вщ часу iмплантацN нiтриду титану ^ хв
Рис. 8. Результати дряпання поверхш покритлв нiтриду хрому на сталi Р18 при навантаженнi на шдентор 15 г пiсля 60 хвилин iмплантацN х800
Я 12 к
л
3 6 &
ю
О г,
а. 3 и
к
а
о
СЖ
Р18
Експлуатацшна стшюсть шструменту
Рис. 9. Пстограма зростання зносу робочоТ поверхн1 дисмв в'язального устаткування iз сталi Р18 вщ нанесеного покриття
6. Висновки
Проведеними дослщженнями щодо пiдбору опти-мальних параметрiв iмплантацii для отримання яюс-них покритпв виявлено оптимiзацiю режимiв процессу (ип;дкл. =25 кВ, 1п;дкл.=35 мА, D=3,67•1017 iон/см2 за
1 годину), яка дозволяе отримувати яюсш модифжова-нi покриття за рахунок поеднання високо! твердостi та зчеплення з основою: тдвищення мжротвердост поверхш в 2,2-2,5 рази, утворення адгезшно-когезшного зв'язку покритпв зi сталлю; встановлено взаемозв'язок мiж фiзико-механiчними властивостями поширених в машинобудуванш сталей i експлуатацiйною стшюстю дрiбнорозмiрного iнструменту, виготовленого з цих сталей: тдвищення стшкосп до зносу робочих повер-хонь деталей в'язального устаткування з покриттям TiN (в 1,5 рази) i CrN (в 2 рази) порiвняно з шструмен-том без покриття.
Таким чином, дослiдженнями показано дощль-нiсть використання методу низькотемпературно! iмплантацii iонiв для полiпшення експлуатацшно! стiйкостi дрiбнорозмiрного сталевого iнструменту 1 невеликих, але таких, що мають ключове значення деталей машин.
Лиература
1. Красильников, Л. А. Волочильщик проволоки [Текст] / Л. А. Красильников, С. А. Красильников. - М.: Металлургия, 1977. - 240 с.
2. Чейлях, А. П. Повышение долговечности фильер с использованием метастабильных состояний в хромистых инструментальных сталях [Текст] / А. П. Чейлях, С. В. Прекрасный, С. Д. Щетинин, В. П. Сущенко // Металл и литье Украины. - 2003. - С. 33-35.
3. Физика износостойкости поверхности металлов [Текст]: сб. науч. трудов / науч. ред. В. И. Владимиров и др. - Л.: ФТИ, 1988. - 230 с.
4. Ющенко, К. А. 1нженер1я поверхш [Текст]: тдр. / К. А. Ющенко, Ю. С. Борисов, В. Д. Кузнецов, В. М. Корж. - К.: Наукова думка, 2007. - 558 с.
5. Погребняк, А. Д. Влияние высоких доз ионов № , № + №+ , Мо+ + W+ на физико-механические свойства Т1№ [Текст] / А. Д. Погребняк, С. Н. Братушка, Л. В. Маликов и др. // Журнал технической физики. - 2009. -Т. 79, № 5. - С. 65-72.
6. Шулаев, В. М. О влиянии атомарного азоа на процесс синтеза вакуумно-дуговых покрытий Мо-К [Текст] / В. М. Шулаев, А. А. Андреев // Ф1П ФИП PSE. -2007. - Т. 5, № 1-2. - С. 75-78.
7. Сергеева, М. Х. Наноструктурная модификация пои верхности [Текст] / М. Х. Сергеева, В. А. Коханов-ский // Вестник ДГТУ. - 2008. - Т. 8, № 2. - С. 192-195.
8. Сергеев, В. П. Трибомеханические свойства и структура нанокомпозитных покрытий Т11-ХА1ХК [Текст] / В. П. Сергеев, М. В. Федорищева, А. В. Воронов и др. // Известия Томского политехнического ун-та. - 2006. -Т. 309, № 2. - С. 149-153.
9. Патент 2167216 Рос. Федерация: МПК7 С 23 С 14/48. Способ упрочнения твердосплавного режущего инструмента [Текст] / Полещенко К. Н., Волошина И. Г., По-ворознюк С. Н., Ремнев Г. Е., Гринберг П. Б. - заявитель и патентообладатель Омск, гос. ун-т. - №99120890/02; заявл. 05.10.99 ; опубл. 20.05.01.
10. Ремнев, Г. Е. Повышение стойкости твердосплавного инструмента методом предварительной обработки мощным ионным пучком и осаждения нитрид-титанового покрытия [Текст] / Г. Е. Ремнев, В. А. Тарбоков // Физическая мезомеханика. - 2004. - Т. 7, № 2. - С. 329-332.
11. Игнатенко, П. И. Структура и свойства пленок нитридов различных металлов, полученных методом ионной имплантации [Текст] / П. И. Игнатенко, Н. А. Кляхи-на, М. Ю. Бадекин // Неорганические материалы. -2005. - Т. 41, № 1. - С. 40-45.
12. Данилин, Б. С. Применение низкотемпературной плаз-н мы для нанесения тонких пленок [Текст] / Б. С. Данилин. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 324 с.
