Многокомпонентные и многослойные вакуумно-дуговые покрытия для режущего инструмента

Рассмотрены свойства многокомпонентных, многослойных покрытиий на основе TiN, NbN. Исследовано влияние Мо на фазовый состав и структурное состояние многокомпонентных покрытий на основе TiN. Установлено, что путем легирования можно управлять адгезионной активностью покрытий. Разработаны многослойные...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Вопросы атомной науки и техники
Дата:	2008
Автори:	Береснев, В.М., Копейкина, М.Ю., Клименко, С.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2008
Теми:	Физика и технология конструкционных материалов
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110856
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Многокомпонентные и многослойные вакуумно-дуговые покрытия для режущего инструмента / В.М. Береснев, М.Ю. Копейкина, С.А. Клименко // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 152-158. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110856
record_format	dspace
spelling	Береснев, В.М. Копейкина, М.Ю. Клименко, С.А. 2017-01-06T15:34:21Z 2017-01-06T15:34:21Z 2008 Многокомпонентные и многослойные вакуумно-дуговые покрытия для режущего инструмента / В.М. Береснев, М.Ю. Копейкина, С.А. Клименко // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 152-158. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110856 621.793; 538.73; 538.9 Рассмотрены свойства многокомпонентных, многослойных покрытиий на основе TiN, NbN. Исследовано влияние Мо на фазовый состав и структурное состояние многокомпонентных покрытий на основе TiN. Установлено, что путем легирования можно управлять адгезионной активностью покрытий. Разработаны многослойные покрытия Ti-NbN-Al₂O₃ и Nb-NbN-Al₂O₃, исследована их структура. Показано, что многокомпонентные и многослойные покрытия позволяют снизить интенсивность изнашивания режущих инструментов и повысить их работоспособность. Розглянуто властивості багатокомпонентних, багатошарових покриттів на основі TiN, NbN. Досліджено вплив Мо на фазовий склад і структурний стан багатокомпонентних покриттів на основі TiN. Встановлено, що шляхом легування можна управляти адгезійною активністю покриттів. Розроблено багатошарові покриття Ti-NbN-Al₂O₃ і Nb-NbN-Al₂O₃, досліджена їхня структура. Доведено, що багатокомпонентні й багатошарові покриття дозволяють знизити інтенсивність зношування різальних інструментів і підвищити їх працездатність. Properties multicomponent, multilayered coverings on basis TiN, NbN are considered. Influence Мо on phase structure and structural condition of multicomponent coverings on basis TiN is investigated. It is established, that the way оf alloying elements can be operated adhesive activity of coverings. Multilayered coverings Ti-NbN-Al₂O₃ and Nb-NbN-Al₂O₃ are developed, their structure is investigated. It is shown, that multicomponent and multilayered coverings allow to lower intensity of wear process of cutting tools and to raise their serviceability. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика и технология конструкционных материалов Многокомпонентные и многослойные вакуумно-дуговые покрытия для режущего инструмента Багатокомпонентні та багатошарові вакуумно-дугові покриття для різального інструменту Multicomponent and multilayered vacuum- arc coverings for the cutting tool Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Многокомпонентные и многослойные вакуумно-дуговые покрытия для режущего инструмента
spellingShingle	Многокомпонентные и многослойные вакуумно-дуговые покрытия для режущего инструмента Береснев, В.М. Копейкина, М.Ю. Клименко, С.А. Физика и технология конструкционных материалов
title_short	Многокомпонентные и многослойные вакуумно-дуговые покрытия для режущего инструмента
title_full	Многокомпонентные и многослойные вакуумно-дуговые покрытия для режущего инструмента
title_fullStr	Многокомпонентные и многослойные вакуумно-дуговые покрытия для режущего инструмента
title_full_unstemmed	Многокомпонентные и многослойные вакуумно-дуговые покрытия для режущего инструмента
title_sort	многокомпонентные и многослойные вакуумно-дуговые покрытия для режущего инструмента
author	Береснев, В.М. Копейкина, М.Ю. Клименко, С.А.
author_facet	Береснев, В.М. Копейкина, М.Ю. Клименко, С.А.
topic	Физика и технология конструкционных материалов
topic_facet	Физика и технология конструкционных материалов
publishDate	2008
language	Russian
container_title	Вопросы атомной науки и техники
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
format	Article
title_alt	Багатокомпонентні та багатошарові вакуумно-дугові покриття для різального інструменту Multicomponent and multilayered vacuum- arc coverings for the cutting tool
description	Рассмотрены свойства многокомпонентных, многослойных покрытиий на основе TiN, NbN. Исследовано влияние Мо на фазовый состав и структурное состояние многокомпонентных покрытий на основе TiN. Установлено, что путем легирования можно управлять адгезионной активностью покрытий. Разработаны многослойные покрытия Ti-NbN-Al₂O₃ и Nb-NbN-Al₂O₃, исследована их структура. Показано, что многокомпонентные и многослойные покрытия позволяют снизить интенсивность изнашивания режущих инструментов и повысить их работоспособность. Розглянуто властивості багатокомпонентних, багатошарових покриттів на основі TiN, NbN. Досліджено вплив Мо на фазовий склад і структурний стан багатокомпонентних покриттів на основі TiN. Встановлено, що шляхом легування можна управляти адгезійною активністю покриттів. Розроблено багатошарові покриття Ti-NbN-Al₂O₃ і Nb-NbN-Al₂O₃, досліджена їхня структура. Доведено, що багатокомпонентні й багатошарові покриття дозволяють знизити інтенсивність зношування різальних інструментів і підвищити їх працездатність. Properties multicomponent, multilayered coverings on basis TiN, NbN are considered. Influence Мо on phase structure and structural condition of multicomponent coverings on basis TiN is investigated. It is established, that the way оf alloying elements can be operated adhesive activity of coverings. Multilayered coverings Ti-NbN-Al₂O₃ and Nb-NbN-Al₂O₃ are developed, their structure is investigated. It is shown, that multicomponent and multilayered coverings allow to lower intensity of wear process of cutting tools and to raise their serviceability.
issn	1562-6016
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110856
citation_txt	Многокомпонентные и многослойные вакуумно-дуговые покрытия для режущего инструмента / В.М. Береснев, М.Ю. Копейкина, С.А. Клименко // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 152-158. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT beresnevvm mnogokomponentnyeimnogosloinyevakuumnodugovyepokrytiâdlârežuŝegoinstrumenta AT kopeikinamû mnogokomponentnyeimnogosloinyevakuumnodugovyepokrytiâdlârežuŝegoinstrumenta AT klimenkosa mnogokomponentnyeimnogosloinyevakuumnodugovyepokrytiâdlârežuŝegoinstrumenta AT beresnevvm bagatokomponentnítabagatošarovívakuumnodugovípokrittâdlârízalʹnogoínstrumentu AT kopeikinamû bagatokomponentnítabagatošarovívakuumnodugovípokrittâdlârízalʹnogoínstrumentu AT klimenkosa bagatokomponentnítabagatošarovívakuumnodugovípokrittâdlârízalʹnogoínstrumentu AT beresnevvm multicomponentandmultilayeredvacuumarccoveringsforthecuttingtool AT kopeikinamû multicomponentandmultilayeredvacuumarccoveringsforthecuttingtool AT klimenkosa multicomponentandmultilayeredvacuumarccoveringsforthecuttingtool
first_indexed	2025-11-26T21:17:41Z
last_indexed	2025-11-26T21:17:41Z
_version_	1850776649553936384
fulltext	152 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.152 – 158. УДК 621.793; 538.73; 538.9 МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ И МНОГОСЛОЙНЫЕ ВАКУУМНО- ДУГОВЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА В.М. Береснев, М.Ю. Копейкина, С.А. Клименко Научный физико-технологический центр МОН и НАН Украины, г. Харьков, Украина; Е-mail: scp@bi.com.uа; * Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев, Украина; E-mail: atmu@ism.kiev.ua Рассмотрены свойства многокомпонентных, многослойных покрытиий на основе TiN, NbN. Исследовано влияние Мо на фазовый состав и структурное состояние многокомпонентных покрытий на основе TiN. Установлено, что путем легирования можно управлять адгезионной активностью покрытий. Разработаны многослойные покрытия Ti-NbN-Al2O3 и Nb-NbN-Al2O3, исследована их структура. Показано, что многокомпонентные и многослойные покрытия позволяют снизить интенсивность изнашивания режущих инструментов и повысить их работоспособность. ВВЕДЕНИЕ Известно, что эксплуатационные характеристики функциональных материалов, такие как усталостная прочность, износо- и коррозионная стойкость и т.д. зависят от особенностей структуры и уровня физико-механических свойств поверхностного слоя [1]. Для увеличения ресурса работы изделий зачастую не требуется повышение объемных свойств их материалов, достаточно поверхностного модифицирования материала за счет нанесение покрытия на основе соединений тугоплавких металлов. Такие покрытия широко применяются в современной технике. Возрастание требований к надежности техники в условиях интенсивного термобарического нагруже- ния обусловливает необходимость дальнейшего со- вершенствования покрытий. Одним из путей реше- ния этой задачи является создание многокомпонент- ных и многослойных покрытий, которые использу- ются для повышения работоспособности деталей режущих инструментов, работающих при высоких скоростях резания, повышения надежности узлов трения, защиты деталей от коррозии. Высокая термическая стабильность физико-меха- нических свойств и высокая температурная стой- кость к оксидированию, низкая адгезионная актив- ность являются важными свойствами многокомпо- нентных, многослойных покрытий. Эти свойства си- льно зависят от фазового состава, термической ста- бильности отдельных фаз, слоев, из которого состоят покрытия. Современной технологией получения покрытий является метод вакуумно-дугового осаждения. Этот способ широко применяется для получения покры- тий TiN, HfN, MoN, ZrN, NbN, а также многокомпо- нентных (TiAl)N, (ZrTi)N, (TiCr)N, (MoAl)N и мно- гослойных Ti-Cu-N, Ti-Cr-N, TiN-α-Ti и т.д., из ма- териалов как совместимых друг с другом, так и не совместимых [2, 3]. Результаты исследований сви- детельствуют, что многокомпонентные, многослой- ные покрытия превосходят покрытия TiN по свойст- вам. Однако вопросы, связанные с причинами дости- жения высоких физико-механических свойств в по- верхностных слоях и возможностью управлять эти- ми свойствами, остались открытыми. Целью данной работы являлось исследование возможности получения многокомпонентных и мно- гослойных покрытий вакуумно-дуговым методом, изучение их свойств и эксплуатационных характе- ристик применительно к режущим инструментам. МАТЕРИАЛЫ, УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ Для получения многокомпонентных покрытий в качестве катодов применялись: титан марки ВТ-1-00 и молибден вакуумного переплава МЧВП. В качест- ве реакционных газов использовали особо чистый газообразный азот (≤ 0,02 % кислорода). Экспериме- нты проводили на установке «Булат». Для решения поставленных в работе задач по созданию многоко- мпонентных покрытий разрабатывалась технология получения покрытий, структура которых представ- ляет собой твердый раствор Мо в TiN. К технологии осаждения покрытий предъявля- лись следующие требования: – обеспечение одновременного испарения титана и молибдена; – скорость осаждения титана должна быть существенно больше, чем молибдена; – соотношение между скоростями поступления к подложке титана и молибдена должно варьирова- ться в широких пределах. Учитывая эти требования, в установку была до- бавлена специальная панель, позволяющая изменять ее наклон относительно продольных осей катодов, причем угол α (угол между плоскостью панели и продольной осью титанового катода) изменялся от 0 до 90°. Изменение угла α в соответствии с правилом Векшинского регулирует скорость поступления титана и легирующего элемента к напыляемой под- ложке. Так, при α = 90° скорость поступления, титана должна быть нулевой, а скорость поступления легирующего элемента – максимальной; при α = 0° – наоборот. При разработке конструкции панели была учтена особенность вакуумно-дугового метода напыления, связанная с искривлением траектории летящих к по- 153 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.152 – 158. дложке частиц в связи с искривленностью силовых линий электрического поля в рабочей зоне. Проведенные исследования показали, что за счет изменения угла наклона подложки не удается значи- тельно изменить количество легирующего элемента в покрытии TiN. Поэтому была применена специ- альная диафрагма с размером ячеек ∼∅ 6 мм коли- чеством 85 шт. на площади 0,1 см², что позволило уменьшить скорость осаждения Мо в 12,5 раз по сравнению со скоростью осаждения титана (рис. 1). Рис.1. Зависимость содержания Мо в покрытии от угла наклона подложки: 1 – экспериментальная за- висимость; 2 – расчетная зависимость Панель при этом была расположена перпенди- кулярно оси молибденового катода. Регулируя угол наклона панели и используя специальные диафраг- мы с различным количеством ячеек, можно полу- чать многокомпонентные покрытия различного сос- тава. Покрытия осаждали на режущие элементы из твердого сплава ВК8. Для получения многослойных покрытий исполь- зовалась установка «Булат 3Т», оснащенная вакуум- но-дуговыми источниками плазмы и ВЧ-источником для нанесения покрытий на основе оксидов [4]. Кон- струкция установки предусматривала размещение напыляемых изделий на вращающемся держателе, с помощью которого они последовательно перемеща- ются в зону действия вакуумно-дуговых источни- ков. Испаряемыми материалами служили алюминий марки А999 и ниобий вакуумного переплава. В ка- честве реакционного газа использовался азот и кис- лород. Покрытия осаждали на режущие элементы из поликристаллического сверхтвердого материала (ПСТМ) на основе кубического нитрида бора (КНБ). Морфология поверхности покрытий изучалась при помощи растровых электронных микроскопов JEOL JSM−840 и «CamScan 4DV». Элементный сос- тав покрытий изучался методом рентгеноспект- рального микроанализа (система «Link 860»). Фазо- вый состав покрытий определялся рентгендифракто- метрическим методом (ДРОН-3,0) с использованием λ-Сu-Kα-излучения. Микротвердость системы «по- крытие-подложка» измерялась микротвердомером ПМТ-3 при нагрузке 0,1 Н с усреднением значений по 10 измерениям. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ Большинство износостойких покрытий представ- ляют собой нитриды и карбиды тугоплавких соеди- нений d-переходных металлов IV−VI групп перио- дической системы. Согласно конфигурационной мо- дели вещества [5] свойства нитридов определяются величиной статистического веса атомных стабиль- ных конфигураций (СВАСК) sp и d. Наиболее ста- бильные sp3-конфигурации, отвечающие за межато- мные связи «металл-неметалл», обеспечивают при сравнительно малых температурах (до 400 оС) низ- кую адгезионную активность покрытия TiN. Однако с повышением температуры стабильность sp3-кон- фигурации снижается, что увеличивает адгезионную активность. Работоспособность изделий с по- крытием снижается. Повышение СВАСК и стабиль- ности покрытий TiN могут быть достигнуто его ле- гированием элементами, содержащими большое ко- личество электронов на d-уровне. В сплавах пере- ходных металлов IV–VI групп периодической сис- темы элементов основными стабильными конфигу- рациями являются d-конфигурации. Проведенный в работах [6, 7] анализ показал, что наибольшее влия- ние на свойства сплавов имеют легирующие элемен- ты, атомы которых в наибольшей степени отличают- ся от атомов основы по характеристикам внешнего строения. Согласно конфигурационной модели вещества адгезионное взаимодействие контактирующих ме- таллов тем меньше, чем выше их суммарный СВАСК. В процессе взаимодействия между пере- ходными металлами IV–VI групп происходит донор- но-акцепторное перераспределение электронов. Ни- триды и карбиды элементов IV группы характери- зуются высокой стабильностью sp-конфигураций, тогда как их валентная оболочка заполнена меньше, чем наполовину. Акцепторная способность пропорциональна на- личию вакантных мест на sp-орбитали. Стабиль- ность конфигурации возрастает при заполнении sp- орбитали до максимального уровня, соответствую- щего конфигурации sp3. Донорная способность обу- словлена наличием у элемента-донора электронов, которые имеют возможность принимать участие в обмене, т.е. количеством электронов d5-конфигура- ции. Анализ соотношения СВАСК sp3 и d5 при ком- натной температуре в соединениях d-переходных металлов IV–VI групп показывает, что различие в СВАСК d5 у них весьма незначительно (табл. 1) в от- личие от СВАСК при переходе от металла IV групп- пы к металлам IV–VI групп в пределах одного пе- риода. Таблица 1 Величина СВАСК d5-конфигураций у переходных металлов IV–VI групп [5] Группы IV V VI Ti – 43% Zr – 52 % H f – 5 5 % V – 63% Nb – 76% Та – 8 1 % Cr – 73% Mo – 84% W – 96% Изменяя количество легирующего элемента в по- крытиях, можно управлять их физико-механически- ми и химическими свойствами, а значит, работоспо- собностью различных деталей машин и режущих 154 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.152 – 158. инструментов, работающих в условиях трения при высоких скоростях. Анализ свойств, в том числе твердости, соедине- ний переходных металлов IV группы показывает, что с увеличением температуры выше 800 °С сни- жение СВАСК sp3-конфигураций компенсируется повышением стабильности d5-конфигураций. В ре- зультате твердость таких соединений, как ZrC и HfC, при высоких температурах выше твердости TiC. На- ибольший СВАСК d5-конфигурации (см. табл.1) имеют Мо, Cr и Nb. Это обстоятельство позволяет предположить, что для повышения в TiN таких свойств, как адгезион- ная и диффузионная инертность при высоких темпе- ратурах, его целесообразно легировать металлами, имеющими, с одной стороны, большой СВАСК (по сравнению с Ti), а с другой стороны, большую ста- бильность при высоких температурах, причем по- следнее условие, очевидно, является особенно важ- ным. Таким образом, для легирования необходимо вы- бирать Мо, Cr или Nb, что должно способствовать по- вышению СВАСК sp- и d5-конфигурации нитрида титана, а значит, уменьшению его адгезионного вза- имодействия с контактирующими материалами. Важным вопросом является выбор оптимального количества легирующего элемента, при котором по- крытия представляют собой твердый раствор легирующего элемента в TiN. В табл. 2 приведены условия осаждения покрытий Ti-Mo-N, их структура и фазовый состав. Как видно, характерной особенностью структурного состояния покрытий, полученных при температурах конденсации 500 оС, является формирование их состава в виде однофазного твердого раствора Mo в TiN. Таблица 2 Фазовый состав, структура, свойства многокомпонентных покрытий Ti-Mo-N Напряжение Ucм, В Тк, ºС Нμ, ГПа σ, ГПа Фаза (hkl) Текстура, фаза а, нм РN, Па Содерж. Мо, мас.% 200 500 28 –4,4 TixMo1-xN<200>, <111>, Мо TiN1-x <111> 0,4249 0,3 8 200 500 32 –5,3 TixMo1-xN<200>, <111>, Мо TiN1-x <111> 0,4246 0,3 16 Микрорентгеноспектральный анализ показывает, что покрытие на основе TiN содержит Мо в виде твердого раствора в несвязанном состоянии при сле- дующем соотношении компонентов: Мо – 8…16 мас.%; Ti – 66…72 мас. %; азот – остальное [8, 9]. Об этом свидетельствует, во-первых, отсутствие линий, соответствующих другим фазам (т.е. другие фазы, если они и присутствуют, то в концентрации ≤3 %), и, во-вторых, уменьшение периода решетки фазы TiN в покрытии по сравнению с покрытием, в котором Мо нет. Значения периода решетки в исследуемом покрытии при содержании 8% Мо – а = 0,4249 нм, при 16 % Мо – а = 0,4246 нм, что меньше периода решетки TiN (а = 0,4253 нм) [2]. Поскольку атомный радиус Мо меньше атомного радиуса Ti (RMo = 1,39 Å, RTi = 1,47 Å) [10], то полученный результат представляется объективным. Кроме того, снижение периода решетки связано с тем, что образующееся химическое соединение представляет собой твердый раствор вычитания. Характерной особенностью дифрактограмм является размытие дифракционных максимумов составляющих покрытие фаз. Их относительно малые интенсивности свидетельст- вуют о неоднородности твердых растворов и высоком уровне микроискажений. Микротвердость покрытий Ti-Mo-N при этом изменяется в зави- симости от количества Мо в пределах 28…32 ГПа с максимумом при содержании Мо ∼16 мас.%. Это, по-видимому, связано с превалирующим влиянием радиационно-стимулируемых процессов при соз- дании структурных дефектов и образовании нерав- новесных фаз твердых растворов взаимно раство- римых компонентов покрытий на процессы релак- сации напряжений [11]. Применительно к режущим инструментам защи- тный эффект от покрытий, имеющих слабое хими- ческое взаимодействие с обрабатываемым материа- лом, выражается в снижении интенсивности адгези- онного изнашивания. Поскольку в основе адгези- онного взаимодействия материалов лежат особен- ности электронного строения их основной фазы, то мерой адгезионной активности может служить сила трения F на передней поверхности инструмента, имеющая место в процессе резания [12]. Режущие инструменты из твердого сплава ВК8 с покрытием Ti-Mo-N испытывались при точении ста- ли 45 (175–185 НВ). Точение проводилось при ре- жимах резания (v = 3 м/с; S = 0,25 мм/об; t = 0,5 мм), которым соответствовали контактные температуры 800…1000 °С [8]. Эксперименты показали (рис. 2), что адгезионное взаимодействие покрытия на ос- нове TiN с различной степенью легирования Мо с обрабатываемым материалом имеет немонотонный характер. Это объясняется тем, что при небольшом количестве легирующего элемента происходит сни- жение СВАСК sp3–конфигурации за счет усиления взаимодействия между атомами Ti и легирующего элемента. В то же время при определенном количе- стве легирующего элемента адгезионное взаимодей- ствие снижается в результате увеличения СВАСК d5-конфигурации. В дальнейшем с увеличением количества Мо по- вышение степени коллективизации электронов при- водит к интенсификации адгезионного взаимодейст- вия. Отмеченное выше было подтверждено теорети- ческими расчетами [6] зависимости степени коллек- тивизации d-электронов от среднего количества эле- ктронов на d-уровне при условии, что при введении легирующего элемента сохраняется кристалличес- кая решетка химического соединения TIN. 155 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.152 – 158. Рис. 2. Зависимость силы трения F от содержания Мо в покрытии (материал резца – ВК8, обрабаты- ваемый материал – сталь 45) Испытания режущих пластин ВК6 с покрытием Ti-Mo-N (рис. 3) при точении стали 12Х18Н10Т при высоких скоростях (температурах ~1000 °С) пока- зали их более высокую работоспособность по срав- нению с TiN. Т, мин Рис. 3. Зависимость периода стойкости при фикси- рованных значениях скорости резания, подачи и глу- бины резания при точении стали 12Х18Н10Т плас- тинами ВК8 с многокомпонентными покрытиями: 1 − Ti-Mo-N (3,5 %Мо); 2 − Ti-Mo-N (5 % Мо); 3 − Ti-Mo-N (7 % Мо); 4 − TiN; 5 − исходный Еще одним перспективным путем повышения ра- ботоспособности деталей машин и режущих инструментов является нанесение на их рабочие по- верхности многослойных покрытий, слои которых характеризуются различным функциональным на- значением. В технической литературе в основном приводят- ся результаты исследований защитных покрытий применительно к деталям машин и режущим инструментам из сталей и твердых сплавов, однако для поликристаллических сверхтвердых материалов на основе кубического нитрида бора (КНБ), которые нашли широкое применение в качестве режущих элементов инструментов при обработке закаленных сталей, наплавленных и напыленных материалов высокой твердости, литых высокомарганцевых ста- лей [13], такие данные практически отсутствуют. В работе [14] было показано, что механизм изнашива- ния режущих инструментов, оснащенных ПСТМ на основе КНБ, связан с адгезионными и химическими процессами, происходящими в зоне контакта с обра- батываемым материалом. Учитывая это, для повышения работоспособнос- ти инструментов, оснащенных ПСТМ на основе КНБ, архитектура покрытий должна строиться в соответствии со следующими соображениями: - внешний слой покрытия, который обеспечивает активный процесс приработки, должен обеспечивать отсутствие окисления основного материала инструмента и снижать силу трения на поверхностях инструмента; - второй и последующие слои покрытия должны обеспечивать «активное» противодействие химическому взаимодействию материала основы инструмента и обрабатываемого материала, а также иметь высо- кую твердость для обеспечения износостойкости инструмента; - нижний (ближе к подложке) слой покрытия должен обеспечивать высокую адгезионную прочность в системе «покрытие-подложка». Для проверки этих предложений были реализо- ваны конструкции многослойных покрытий и иссле- дована их структура. В табл. 3 приведены техноло- гические параметры осаждения покрытий. Таблица 3 Параметры осаждения многослойных покрытий Nb-NbN-Al2O3 Покрытие Id, A Uвч, В РN, Па Nb NbN 140 200 0,3 Al2O3 90 150 0,3 На рис.4 – 6 приведена морфология поверхности покрытия Nb-NbN-Al2O3, а также конструкция покрытий Ti(Nb)-NbN-Al2O3 и поперечный шлиф покрытия Ti-NbN-Al2O3, нанесенного на режущий элемент на основе кубического нитрида бора. В результате электронографических исследова- ний покрытий NbN, полученных вакуумно-дуговым методом обнаружено была поликристаллическая фа- за δ–NbN с параметром а = 0,442 нм. Оксинитрид ниобия в покрытии нами не был обнаружен, хотя образование такой фазы не исключено, так как кис- лород хотя и в ограниченном количестве присутст- вует в остаточном газе установки для вакуумно-ду- гового осаждения. Численное моделирование напряженного состоя- ния в системе «покрытие-ПСТМ на основе КНБ» показало, что покрытие обеспечивает перераспреде- ление и снижение контактных напряжений на ра- бочих поверхностях инструмента (рис. 7). Наряду со снижением интенсивности адгезион- ного и химического взаимодействия между инстру- ментальным и обрабатываемым материалами в зоне резания, отмеченное способствует повышению ра- ботоспособности режущих инструментов. 156 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.152 – 158. Рис. 4. Морфология поверхности покрытия Nb-NbN-Al2O3 (верхний слой Al2O3) Рис. 5. Конструкция многослойных покрытий на режущих инструментах, оснащенных ПСТМ на основе КНБ Рис. 6. Поперечное сечение покрытия Ti-NbN-Al2O3 на поверхности режущего элемента: 1 – основа; 2 – Ti; 3 – NbN; 4 – Al2O3 Для проверки работоспособности инструментов, оснащенных режущими элементами с покрытиями Ti-NbN-Al2O3, проведена серия экспериментов по обработке закаленных сталей ХВГ (50…55 HRC) и ШХ15 (60…62 HRC), никелевого сплава, наплавлен- ного проволокой Св-08Х18Н9Г7Т (28…45 HRC), маслотного чугуна, твердых сплавов с содержанием Со ≥ 15 % (ВК15, ВК20, ВНК25, ВК30). Некоторые результаты исследований представлены на рис. 8 и в табл. 4 и 5. а б Рис. 7. Нормальные (а) и касательные (б) силовые напряжения в инструменте, оснащенном ПСТМ на основе КНБ без покрытия и с покрытием Ti-NbN-Al2O3, при точении стали ХВГ а б Рис. 8. Вид изношенных участков инструментов после точения стали ХВГ: а – без покрытия; б – с покрытием Ti-NbN-Al2O3. 157 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.152 – 158. Таблица 4 Результаты обработки стали ШХ15 Величина hз ,мм, при работе (v = 110 м/мин, S = 0,05 мм/об, t = 0,25 мм) в течение, мин Инструмент 2 4 6 8 10 12 14 16 Без покрытия 0,025 0,05 0,08 0,10 0,15 0,20 0,27 – С покрытием Ti-NbN-Al2O3 0,025 0,05 0,07 0,08 0,10 0,15 0,20 0,25 Режимы резания Инструмент Обрабатываемый материал v, м/мин S, мм/об t, мм Интенсивность изнашивания J, мкм/мин (стойкость Т, мин) Без покрытия 165 35,00 180 75,75 208 87,87 165 28,73 180 30,30 С покрытием Ti-NbN-Al2O3 ХВГ 208 0,09 64,00 Без покрытия 88 10,35 110 18,18 140 31,80 180 50,00 88 11,90 110 15,87 140 25,00 С покрытием Ti-NbN-Al2O3 ШХ15 180 0,05 40,00 Без покрытия 18,00 13,62 С покрытием Ti-NbN-Al2O3 08Х18Н9Г7Т 237 6,20 Без покрытия С покрытием Ti+NbN+Al2O3 Маслотный чугун 440 0,1 0,25 5,70 Без покрытия (120…130) С покрытием Ti-NbN-Al2O3 Твердый сплав группы ВК 16 0,25 1,0 (150…165) Результаты исследований показывают, что при- менение защитного покрытия Ti-NbN-Al2O3 на инст- рументах, оснащенных ПСТМ на основе КНБ, по- зволяет повысить их стойкость на этапе приработки на 25…30 % и общий период стойкости в 1,5…2 раза. ВЫВОДЫ Установлено, что легирование покрытия TіN су- щественно влияет на адгезионные свойства, причем зависимость свойств от количества легирующих элементов немонотонна. Для каждого легирующего элемента существует оптимальный интервал кон- центраций, в котором достигаются наилучшие ха- рактеристики (при легировании Мо это 8…16 %). За счет подбора легирующих элементов и их коли- чества можно обеспечить формирование покрытий с высокой адгезией к основному металлу изделия, низкой адгезией к контактирующему материалу, с высокой стойкостью против окисления при высоких температурах, с образованием диффузионного ба- рьера между контактирующими материалами. Показано, что применение многослойных покры- тий снижают интенсивность адгезионного, химичес- кого взаимодействия в зоне контакта инструмента с обрабатываемым материалом. Работоспособность твердосплавного режущего инструмента с многокомпонентными покрытиями Ti-Mo-N увеличивается в 3…3,5 раза по сравнению с инструментом с TіN. Применение многослойных покрытий Ti-NbN-Al2O3 позволяет повысить период стойкости инструмента, оснащенного из ПСТМ на основе КНБ, в 1,5…2 раза ЛИТЕРАТУРА 1. А.С. Васильев, А.М. Дальский, С.А. Клименко и др. Технологические основы управления качест- вом машин. М.: «Машиностроение», 2003, 256 с. 2. А.А. Андреев, В.П. Саблев, В.М. Шулаев, С.Н.Григорьев Вакуумно-дуговые устройства и покрытия. Харьков: «ННЦ «ХФТИ»», 2005, 235 с. 3. В.М. Береснев, Д.Л. Перлов, А.И. Федоренко Экологически безопасные вакуумно-плазменное оборудование и технологии нанесения покры- тий. Харьков: «ХИСПИ», 2003. 292 с. 158 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.152 – 158. 4. В.М. Береснев, В.Т. Толок, В.И. Гриценко, Ю.В.Демьяненко, А.Г. Чунадра Получение соединений AlN, Al2O3 из потоков плазмы вакуумной дуги с использованием ВЧ- напряжения // Вестник ХНУ им. В.Н. Каразина. Сер. физическая «Ядра, частицы, поля». 2003, в. 2(22), № 601, с. 101-105 5. Г.В. Самсонов, И.Ф. Прядко, Л.Ф. Прядко Кон- фигурационная модель вещества. Киев: «Науко- ва думка», 1971, 230 с. 6. В.М. Береснев Факторы, влияющие на форми- рование многокомпонентных покрытий на осно- ве TiN// Восточно-Европейский журнал передо- вых технологий. 2005, № 4, с. 76-78. 7. В.М. Мацевитый, И.Б. Казак, К.В. Вакуленко Электронная структура карбидов, нитридов и оксидов d-переходных металлов IV −VI групп и их адгезионная активность//Восточно-Европей- ский журнал передовых технологий.2006, № 1/2, с. 85-89. 8. Износостойкое покрытие / А.с. 15311520 СССР, МКИ С23 С14/00/ В.М. Мацевитый, И.Б. Казак, Г.П. Уманский, Ф.И. Чаплыгин, Ю.Н. Лебединс- кий, В.М. Береснев, В.А. Квашнин, Е.С. Удо- венко. (СССР) // № 4204900/24-21; Заяв. 06.12.86. Опубл. 05.12 89. 9. Износостойкое покрытие / А.с. 1468005 СССР, МКИ С23 С14/00./ В.М. Мацевитый, И.Б.Казак, Г.П. Уманский, Ф.И. Чаплыгин, Ю.Н. Лебедин- ский, В.М. Береснев, В.А. Квашенин, Е.С. Удо- венко (СССР) // № 4204899/24-21; Заяв. 04.08.86. Опубл. 87.12.89. 10. Л. Тот Карбиды и нитриды переходных металлов / Пер. с англ./Под ред. П.В. Бельда. М.: «Мир», 1974, 294 с. 11. А.С. Бакай, С.Н. Слепцов, А.И. Жуков Радиаци- онно-диффузионная модель уплотнения пленок, осаждаемых из ионно-атомных потоков//Метал- лофизика и новейшие технологии. 1995, т.17, №9, с. 42-51. 12. В.М. Мацевитый, Е.С.Удовенко, И.Б. Казак, В.М. Береснев Влияние износостойких покры- тий на контактное взаимодействие режущих ин- струментов с обрабатываемым материалом//Фи- зика износостойкости поверхности металлов. Л.: ФТИ им. А.Ф.Иоффе, 1989, с. 201-206. 13. Инструменты из сверхтвердых материалов/ Под. ред. Н.В. Новикова. М.: «Машинострое- ние», 2005, 555 с. 14. Обработка материалов лезвийным инструмен- том/ Под ред. С.А. Клименко. Киев: «ИСМ имени В.Н. Бакуля, ИПЦ «АЛКОН» НАНУ», 2006, 316 с. БАГАТОКОМПОНЕНТНІ ТА БАГАТОШАРОВІ ВАКУУМНО-ДУГОВІ ПОКРИТТЯ ДЛЯ РІЗАЛЬНОГО ІНСТРУМЕНТУ В.М. Береснєв, М.Ю. Копейкіна, С.А. Клименко Розглянуто властивості багатокомпонентних, багатошарових покриттів на основі TiN, NbN. Досліджено вплив Мо на фазовий склад і структурний стан багатокомпонентних покриттів на основі TiN. Встановлено, що шляхом легування можна управляти адгезійною активністю покриттів. Розроблено багатошарові покриття Ti-Nb-Al2O3 і Nb-Nb-Al2O3, досліджена їхня структура. Доведено, що багатокомпонентні й багатошарові покриття дозволяють знизити інтенсивність зношування різальних інструментів і підвищити їх працездатність. MULTICOMPONENT AND MULTILAYERED VACUUM- ARC COVERINGS FOR THE CUTTING TOOL V.M. Beresnev, M.Yu. Kopejkina , S.A. Klimenko Properties multicomponent, multilayered coverings on basis TiN, NbN are considered. Influence Мо on phase structure and structural condition of multicomponent coverings on basis TiN is investigated. It is established, that the way оf alloying elements can be operated adhesive activity of coverings. Multilayered coverings Ti-NbN-Al2 O3 and Nb-NbN-Al2 O3 are developed, their structure is investigated. It is shown, that multicomponent and multilayered coverings allow to lower intensity of wear process of cutting tools and to raise their serviceability.

Многокомпонентные и многослойные вакуумно-дуговые покрытия для режущего инструмента

Репозитарії

Схожі ресурси