Обеспечение адгезионной прочности в системе основа—покрытие в условиях контактного нагружения

Рассмотрены пути определения геометрических параметров по­крытия дискретного типа с точки зрения соблюдения адгезионной прочности ком­позиции основа—покрытие. При расчете напряженно-деформированного состояния использовали элемент твердосплавного инструмента с вакуум-плазменным покрытием в условиях к...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Сверхтвердые материалы
Date:2008
Main Authors: Антонюк, В.С., Сорока, Е.Б., Калиниченко, В.И.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2008
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20689
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Обеспечение адгезионной прочности в системе основа—покрытие в условиях контактного нагружения / В.С. Антонюк, Е.Б. Сорока, В.И. Калиниченко // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 2. — С. 79-86. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859476996251189248
author Антонюк, В.С.
Сорока, Е.Б.
Калиниченко, В.И.
author_facet Антонюк, В.С.
Сорока, Е.Б.
Калиниченко, В.И.
citation_txt Обеспечение адгезионной прочности в системе основа—покрытие в условиях контактного нагружения / В.С. Антонюк, Е.Б. Сорока, В.И. Калиниченко // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 2. — С. 79-86. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Сверхтвердые материалы
description Рассмотрены пути определения геометрических параметров по­крытия дискретного типа с точки зрения соблюдения адгезионной прочности ком­позиции основа—покрытие. При расчете напряженно-деформированного состояния использовали элемент твердосплавного инструмента с вакуум-плазменным покрытием в условиях контактного нагружения с учетом сил трения. The authors of the article discuss some feasible means of determining geometrical parameters of a discrete-type coating with a view to ensure adhesion strength of the substrate-coating composite. The stress-strain calculations are performed for an element of a carbide tool with a vacuum-plasma-deposited coating, under contact loading, allowing for friction forces.
first_indexed 2025-11-24T11:40:37Z
format Article
fulltext ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 2 79 УДК 621.793 В. С. Антонюк, Е. Б. Сорока, В. И. Калиниченко (г. Киев) Обеспечение адгезионной прочности в системе основа—покрытие в условиях контактного нагружения Рассмотрены пути определения геометрических параметров покрытия дискретного типа с точки зрения соблюдения адгезионной прочности композиции основа—покрытие. При расчете напряженно-деформированного со- стояния использовали элемент твердосплавного инструмента с вакуум-плазмен- ным покрытием в условиях контактного нагружения с учетом сил трения. Ключевые слова: покрытия, контактные нагрузки, поверхность адгезионного контакта, адгезионная прочность. Введение. Увеличение срока службы инструментов и деталей машин, работающих в жестких условиях высоких контактных нагрузок, тем- ператур и интенсивного трения все больше связывают с модифицированием их поверхности. В силу высокой твердости, обеспечивающей надежную за- щиту от износа, снижения коэффициента трения, стойкости к окислительно- му износу и теплостойкости все более широкое распространение для моди- фицирования рабочих поверхностей режущего инструмента находят вакуум- плазменные покрытия на основе нитридов и карбидов тугоплавких металлов [1]. Вместе с тем, традиционный сплошной слой покрытия в процессе экс- плуатации разрушается. Избежать разрушения покрытия на режущем инст- рументе в результате нарушения когезионной (растрескивания) и адгезион- ной (отслоения) прочности можно, заменив сплошной слой покрытия на пре- рывистый (дискретный) [2]. Высокая когезионная и адгезионная стойкость поверхности с покрытием дискретного типа достигается ограничением нор- мальных напряжений в самом покрытии и касательных на поверхности раз- дела основа—покрытие за счет изменения конструкционных параметров по- крытий, исходя из их физико-механических свойств и режимов нагружения [3]. Несмотря на то, что возросшее применение режущего и штампового ин- струмента с покрытиями, с одной стороны, и деталей с покрытиями, обраба- тываемых инструментом, с другой, обусловливает необходимость решения контактной задачи и анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) для деталей с модифицированной поверхностью, влияние параметров покрытия в условиях контактных нагрузок и интенсивного трения на напря- женность поверхности адгезионного контакта, а значит, и на прочность сцеп- ления, изучено недостаточно. Существующие работы, в основном, связаны с анализом НДС детали с покрытием при воздействии индентора (обработке штамповым инструмен- том) с учетом трения на контактной поверхности [4—6]. В этих работах пока- зано, что напряженное состояние на поверхности адгезионного контакта ос- нова—покрытие зависит от толщины слоя покрытия, его упругих характери- стик и коэффициентов трения. Авторами [7] при решении задачи о контакт- © В. С. АНТОНЮК, Е. Б. СОРОКА, В. И. КАЛИНИЧЕНКО, 2008 www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 80 ном взаимодействии жесткого штампа с упругой полуплоскостью с покрыти- ем винклеровского типа показано, что неравномерность толщины покрытия существенным образом влияет на распределение контактных давлений. Определению с использованием положений механики разрушения усло- вий разрушения поверхности с покрытием при циклическом контакте трения посвящена работа [8]. Показано, что преимущество имеет покрытие с боль- шей податливостью, которое рассеивает нагрузку и уменьшает концентрацию напряжений. Подходы механики разрушения использованы также в [9], где отслоение покрытия по поверхности раздела основа—покрытие моделирует- ся погруженной трещиной. Исследование зависимости касательных напряжений на границе подложки и тонкого мягкого покрытия от его толщины при решении двумерной задачи о контакте жесткого цилиндра с двухслойным упругим основанием приведе- но в [10]. Показано, что применение градиентных покрытий, в которых модули уп- ругости убывают постепенно от поверхности контакта к подложке, значи- тельно снижает напряжение на поверхности раздела покрытия и подложки в условиях вдавливания с трением [11] и скользящих контактов, подвергаю- щихся поверхностному нагружению [12]. Авторы [13, 14] при решении контактной задачи показали, что характер распределения напряжений, в том числе на границе раздела основы с покры- тием, наряду с параметрами толщины и упругими характеристиками покры- тия, зависит от плоскости контакта и относительной площади областей на- гружения. Ситуация, рассматриваемая в данной статье, принципиально отличается от описанных в литературе не столько тем, что покрытие нанесено на инст- румент, сколько тем, что несплошность контакта зависит также от размеров дискретного участка покрытия. Это обусловливает необходимость постанов- ки и рассмотрения задачи о контактном нагружении дискретного участка покрытия на инструменте. Целью работы является минимизация напряженности поверхности адгези- онного контакта основа—покрытие при контактном нагружении с трением. Методика, результаты и обсуждение. Применение современных числен- ных методов, например, таких как метод конечных элементов, позволяет рассчитывать НДС деталей и режущего инструмента с покрытиями с учетом эксплуатационных нагрузок [15]. Построение и расчет моделей проводили в лицензионном конечноэлементном комплексе MSC VisualNastran for Windows, выбор которого обусловлен относительной простотой и значитель- ной универсальностью. Данный комплекс имеет все необходимые инстру- менты для подготовки и проведения полного цикла моделирования. Для рас- смотрения выбран элемент твердотельной модели режущего инструмента из твердого сплава ВК8 с вакуум-плазменным покрытием дискретного типа. Рассматривали одну из симметричных частей модели основа—дискретное покрытие, которую разбивали на гексагональные конечные элементы, имею- щие меньшие размеры в области непосредственного контактного взаимодей- ствия покрытия с основой. Формирование покрытия осуществляли с приме- нением специальных “масок” с ячейками различных формы и размеров, что позволяло создавать покрытия с заданными геометрическими параметрами на установке типа ННВ-6,6-И1 [16]. Для расчета напряженно-деформированного состояния участка поверхно- сти с покрытием рассматривали элемент твердосплавного инструмента с уча- ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 2 81 стком вакуум-плазменного покры- тия в форме квадрата со стороной D толщиной h в условиях контакт- ного нагружения q (рис. 1). Проведенный расчет позволил установить, что на поверхности адгезионного контакта величины касательных напряжений τадг, от- ветственных за отслоение покры- тия от основы, максимальны по краям дискретного участка и зависят от его размеров (рис. 2). Значения максимальных касательных напряжений на по- верхности адгезионного контакта сначала увеличиваются с ростом величины дискретного участка, а затем, достигнув наибольшего значения, начинают уменьшаться. 0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0 50 100 150 200 D, мкм τадг q Рис. 2. Зависимость оптимальной величины максимальных касательных напряжений τадг от размеров дискретного участка D. Объяснить эту тенденцию можно тем, что максимальные касательные на- пряжения возникают на некоторой глубине, пропорциональной размеру пло- щадки контакта. С увеличением участка покрытия максимум напряжений углубляется в основу на расстояние а, а после достижения размером дискрет- ного участка некоторого значения величина напряжений на поверхности ад- гезионного контакта начинает уменьшаться. При этом размер участка покры- тия ограничен сверху величиной, соответствующей предельным эквивалент- ным напряжениям для материала основы (максимум эквивалентных напря- жений, рассчитанных по четвертой теории прочности, наблюдается на той же глубине, что и максимум касательных). Напротив, уменьшение размеров дискретного участка приводит к тому, что максимум напряжений приближа- ется к поверхности адгезионного контакта и может наблюдаться как на ней, так и в самом покрытии (рис. 3). Анализ полученных зависимостей дает воз- можность ограничить размер дискретного участка сверху и снизу. Это позво- лит предотвратить адгезионное отслоение путем снижения величины каса- тельных напряжений на поверхности адгезионного контакта и разрушение основного материала за счет уменьшения максимума эквивалентных напря- жений в глубине основы. Рассмотрено также влияние размеров дискретного участка и величин ко- эффициентов трения на напряженность поверхности адгезионного контакта при наличии касательной составляющей нагружения (силы трения) с учетом коэффициента трения μ (рис. 4). D h q Рис. 1. Схема контактного нагружения элемен- та с покрытием дискретного типа. www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 82 –40 –30 –20 –10 0 10 50 100 150 200 D, мкм a, м км Рис. 3. Зависимость расстояния от поверхности контакта до места возникновения макси- мальных касательных напряжений а от размера дискретного участка D. Анализ полученных результа- тов (рис. 5) показывает, что воз- растание коэффициента трения приводит к перераспределению касательных напряжений. Так, с ростом силы трения максимальные касательные напряжения прибли- жаются из глубины материала ос- новы к поверхности адгезионного контакта, переходят в сам дис- кретный участок покрытия, а далее и на его поверхность. Увеличение коэффициента трения приводит также к тому, что максимум касательных напряжений смещается в направлении действия силы трения, а в плоскости адгезионного контакта касательные напряжения распределены вдоль всей поверхности контакта. На основе расчетных данных построены зависимости отношения макси- мальных касательных напряжений на поверхности адгезионного контакта τадг к интенсивности приложенной нагрузки q для различных размеров дискрет- ного участка и коэффициентов трения (рис. 6, 7). При этом коэффициент трения зависит от типа покрытий и материала контртела [17—21]. а Рис. 5. Изоповерхности поля касательных напряжений от действия нормальной и каса- тельной нагрузки на дискретном участке размером D = 120 мкм при интенсивности кон- тактного нагружения q = 100 МПа: μ = 0,7 (а), 0,5 (б), 0 (в). D h q μq Рис. 4. Схема контактного нагружения элемен- та с покрытием дискретного типа при наличии касательной составляющей нагружения. ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 2 83 б в Рис. 5. (Продолжение). 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0 0,2 0,4 0,6 0,8 μ τадг q 1 2 3 4 Рис. 6. Зависимость относительных касательных напряжений на поверхности адгезионно- го контакта от величины коэффициента трения для дискретных участков размером D = 240 (1), 120 (2), 60 (3), 40 (4) мкм. www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 84 Анализ полученных зависимостей показывает, что выбор геометрических параметров износостойкой дискретной поверхности должен осуществляться с учетом материалов фрикционной пары. Показано, что напряженность адгези- онного контакта для участков размером до 40 мкм практически не зависит от величины коэффициента трения, а с увеличением размеров дискретного уча- стка влияние величины коэффициента трения на напряженность адгезионно- го контакта возрастает. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 50 100 150 200 250 D, мкм τадг q 1 2 3 4 а 0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 50 100 150 200 250 5 6 7 D, мкм τадг q б Рис. 7. Зависимость относительных касательных напряжений на поверхности сцепления покрытия с основой от величины дискретного участка в условиях фрикционного контак- та: TiN (а) с контртелом из углеродистой (1) и хромистой (2) стали оксида алюминия (3), хромистой стали с MoSx в покрытии (4); Ti(C, N) (б) с контртелом из углеродистой стали (1), твердого сплава WC83Co17 (2), оксида алюминия (3). В связи с тем, что для деталей фрикционных пар и режущего инструмента широко применяют покрытия на основе соединений титана, таких как нитри- ды и карбонитриды, исследовали зависимости величины касательных напря- жений на поверхности адгезионного контакта основа—покрытие от величи- ны дискретных участков для покрытий TiN, Ti(C, N) при обработке конст- рукционных материалов (см. рис. 7). Рассматривали конкретные фрикцион- ные контакты покрытие—контртело с присущими им значениями коэффици- ентов трения (таблица) [18, 19, 21]. Значения коэффициентов трения во фрикционных контактах покрытие—контртело Контртело Покрытие Сталь 45 Сталь 40Х WC83Co17 Al2O3 Сталь 45 c MoSx TiN 0,9 0,6 — 0,35 0,15 Ti(C, N) 0,8 — 0,25 0,12 — Результаты проведенных расчетов позволяют установить зависимость на- пряженности поверхности адгезионного контакта от величины дискретных участков покрытия и коэффициентов трения. Таким образом, можно прогно- зировать напряженность поверхности сцепления покрытия с основой для разных типов покрытий и разных размеров дискретных участков и обеспечи- вать адгезионную прочность композиции основа—покрытие. Следует отметить, что использованы значения коэффициентов трения для сплошных покрытий. Полученные предварительные результаты свидетельст- вуют о том, что изменение условий контакта в системе дискретное покры- ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 2 85 тие—контртело приводит к изменению величины коэффициента трения. Так, было обнаружено, что при трении покрытия TiN по стали 40Х дискретизация покрытия приводит к уменьшению коэффициента трения в 1,3 раза. Очевид- но, это обстоятельство следует учитывать в расчетах по определению напря- женно-деформированного состояния рабочей поверхности с покрытием, для чего необходимо провести испытания по определению величины коэффици- ента трения при контакте дискретномодифицированных поверхностей с контртелами из различных материалов. Выводы Проведенные расчеты позволили установить зависимость между величи- ной и характером распределения касательных напряжений в системе осно- ва—покрытие для твердосплавной режущей пластинки с вакуум- плазменными покрытиями дискретного типа в зависимости от размеров дис- кретных участков и типов покрытий. Результаты исследований позволяют выбрать оптимальные геометриче- ские параметры и тип покрытия, дающие возможность предотвратить разру- шение поверхности режущего инструмента в результате отслоения покрытия от основы. 1. Klocke F., Krig T. Coatted tools for metal cutting — features and appications // Ann. CIRP. — 1999. — 48, N 2. — Р. 515—525. 2. Ляшенко Б. А., Мовшович А. Я., Долматов А. И. Упрочняющие покрытия дискретной структуры // Технол. системы. — 2001. — № 4 (10). — С. 17—25. 3. Антонюк В. С., Ляшенко Б. А., Сорока Е. Б. Выбор параметров покрытий дискретной структуры при модификации поверхности режущего инструмента // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2005. — № 3. — С. 49—50. 4. Oda J., Kubota T., Abe S. Approximate solution of the elastik contact problem between film- coated bodies // Nihon kikai gakkai ronbunshu. A = Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. A. — 1993. — 59, N 567. — P. 2581—2586. 5. Shibuay T., Inoue H., Kawamura M., Kishimoto K. Axisymmetric frictional contact problem for elastic half-space with surface layer // Ibid. — 1994. — 60, P. 575. — P. 1572—1578. 6. Третьяков Е. М. Контактные нагрузки при внедрении плоского пуансона в пластиче- скую полуплоскость с поверхностным упрочненным слоем // Пробл. машиностр. и надеж. машин. — 2001. — № 5. — С. 62—70. 7. Александров В. М., Пашовкин Ю. Н. Контактная задача для полуплоскости с покрытием переменной толщины // Трение и износ. — 1989. — 10, № 6. — С. 973—980. 8. Hills D. A., Nowell D., Sackfield A. A survey of cracks in layers propelled by contact loading // Mech. Coatings: Proc. 16th Leeds-Lyon Symp. Tribol., Lyon, France, 5—8 Sept., 1989. — Amsterdam, 1990. — Р. 203—208. 9. El-Borgi Sami, Keer Leon, Ben Said Wissem. An embedded crack in a functionally graded coating bonded to a homogeneous substrate under frictional Hertzian contact // Wear. — 2004. — 257, N 7—8. — Р. 760—776. 10. Leroy J. M., Villechaise B. Stress determination in elastic coatings and substrate under both normal and tangential loads // Mech. Coatings: Proc. 16th Leeds-Lyon Symp. Tribol., Lyon, France, 5—8 Sept., 1989. — Amsterdam, 1990. — P. 195—201. 11. Stephens L. S., Liu Yan, Meletis E. I. Finite element analysis of the initial yielding behavior of a hard coating/substrate system with functionally graded interface under indentation and friction // Trans. ASME. J. Tribol. — 2000. — 122, N 2. — P. 381—387. 12. Xinxiang P., Li Ya, Jinjun X. Elastic-plastic deformation analysis of multi-layer surface coat- ing under sliding contact // Thin Solid Films. — 1999. — 354, N 1—2. — P. 154—161. 13. Горячева И. Г., Горская Е. В. Периодическая контактная задача для системы штампов и упругого слоя, сцепленного с упругим основанием // Трение и износ. — 1995. — 16, № 4. — С. 642—652. 14. Горячева И. Г., Горская Е. В. Анализ напряженного состояния тел с покрытиями при множественном характере нагружения // Там же. — 1994. — 15, № 3. — С. 349—357. www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 86 15. Антонюк В. С., Сорока О. Б., Калініченко В. І. Аналіз напружено-деформованого стану різального інструменту з покриттями // Вісник Національного технічного ун-ту України “Київський політехнічний інститут”: Серія приладобудування. — 2004. — Вип. 27. — С. 84—89. 16. Пат. 68303 Україна, МПК С 23 С 14/32. Спосіб нанесення зносостійких несуцільних покриттів / В. А. Рутковський, В. С. Антонюк, В. М. Волкогон та ін. — Заявл. 03.12.03. Опубл. 15.07.2004, Бюл. № 7. 17. Андреев А. А., Саблев Л. П., Шулаев В. М., Григорьев С. Н. Вакуумно-дуговые устрой- ства и покрытия. — Харьков: ННЦ ХФТИ, 2005. — 236 с. 18. Mohrbacher H., Blanpain B., Celis J.-P. et al. The influence of humidity on the fretting behaviour of PVD TiN coatings // Wear. — 1995. — 180, N 1—2. — Р. 43—52. 19. Bertoncello R., Casagrande A., Casarin M. et al. TiN, TiC and Ti(C, N) film characterization and its relationship to tribological behaviour // Surface and Interface Analysis. — 1992. — 18, N 7. — Р. 525—531. 20. Urgan M., Eryilmaz O. L., Cakir A. F. et al. Characterization of molybdenum nitride coatings produced by arc-PVD technique // Surface and Coatings Technology. — 1997. — 94—95. — Р. 501—506. 21. Goller R., Torri P., Baker M. A. et al. The deposition of low-friction TiN—MoSx hard coat- ings by a combined arc evaporation and magnetron sputter process // Ibid. — 1999. — 120— 121. — Р. 453—457. Национальный технический ун-т Поступила 01.08.07 “Киевский политехнический институт” Ин-т проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-20689
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0203-3119
language Russian
last_indexed 2025-11-24T11:40:37Z
publishDate 2008
publisher Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
record_format dspace
spelling Антонюк, В.С.
Сорока, Е.Б.
Калиниченко, В.И.
2011-06-03T21:26:06Z
2011-06-03T21:26:06Z
2008
Обеспечение адгезионной прочности в системе основа—покрытие в условиях контактного нагружения / В.С. Антонюк, Е.Б. Сорока, В.И. Калиниченко // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 2. — С. 79-86. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.
0203-3119
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20689
621.793
Рассмотрены пути определения геометрических параметров по­крытия дискретного типа с точки зрения соблюдения адгезионной прочности ком­позиции основа—покрытие. При расчете напряженно-деформированного состояния использовали элемент твердосплавного инструмента с вакуум-плазменным покрытием в условиях контактного нагружения с учетом сил трения.
The authors of the article discuss some feasible means of determining geometrical parameters of a discrete-type coating with a view to ensure adhesion strength of the substrate-coating composite. The stress-strain calculations are performed for an element of a carbide tool with a vacuum-plasma-deposited coating, under contact loading, allowing for friction forces.
ru
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
Сверхтвердые материалы
Инструмент, порошки, пасты
Обеспечение адгезионной прочности в системе основа—покрытие в условиях контактного нагружения
Providing adhesion strength for a substrate-coating system under contact loading
Article
published earlier
spellingShingle Обеспечение адгезионной прочности в системе основа—покрытие в условиях контактного нагружения
Антонюк, В.С.
Сорока, Е.Б.
Калиниченко, В.И.
Инструмент, порошки, пасты
title Обеспечение адгезионной прочности в системе основа—покрытие в условиях контактного нагружения
title_alt Providing adhesion strength for a substrate-coating system under contact loading
title_full Обеспечение адгезионной прочности в системе основа—покрытие в условиях контактного нагружения
title_fullStr Обеспечение адгезионной прочности в системе основа—покрытие в условиях контактного нагружения
title_full_unstemmed Обеспечение адгезионной прочности в системе основа—покрытие в условиях контактного нагружения
title_short Обеспечение адгезионной прочности в системе основа—покрытие в условиях контактного нагружения
title_sort обеспечение адгезионной прочности в системе основа—покрытие в условиях контактного нагружения
topic Инструмент, порошки, пасты
topic_facet Инструмент, порошки, пасты
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20689
work_keys_str_mv AT antonûkvs obespečenieadgezionnoipročnostivsistemeosnovapokrytievusloviâhkontaktnogonagruženiâ
AT sorokaeb obespečenieadgezionnoipročnostivsistemeosnovapokrytievusloviâhkontaktnogonagruženiâ
AT kaliničenkovi obespečenieadgezionnoipročnostivsistemeosnovapokrytievusloviâhkontaktnogonagruženiâ
AT antonûkvs providingadhesionstrengthforasubstratecoatingsystemundercontactloading
AT sorokaeb providingadhesionstrengthforasubstratecoatingsystemundercontactloading
AT kaliničenkovi providingadhesionstrengthforasubstratecoatingsystemundercontactloading