|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Инструментальные материалы с износостойким покрытием⇐ ПредыдущаяСтр 13 из 13
В мировой практике металлообрабатывающей промышленности все большее применение находят инструментальные материалы с покрытием, которые являются типичным композиционным материалом, обладающим высокой износостойкостью в сочетании с достаточно удовлетворительной прочностью при изгибе, ударной вязкостью, выносливостью, трещиностойкостью. Таким образом, инструментальные материалы с износостойким покрытием по своим свойствам приближаются к свойствам идеализированного инструментального материала (см. рис.1), а инструмент, изготовленный из такого материала, может обладать удовлетворительным запасом хрупкой и пластической прочности одновременно, что увеличивает его надежность, особенно при использовании на сложном автоматизированном оборудовании.
Рис.1. Классификация инструментальных материалов по их свойствам Если рассматривать покрытие как некоторую промежуточную технологическую среду (ПТС) между инструментальным и обрабатываемым материалами, то можно сформулировать условия, в соответствии с которыми с помощью покрытия можно достаточно эффективно управлять свойствами инструментального материала (твердостью, теплостойкостью, трещиностойкостью, физико-химической пассивностью по отношению к обрабатываемому материалу), а также характеристиками процесса стружкообразования (деформацией срезаемого слоя, силами резания, температурами, напряжениями и т.д.), интенсивностью изнашивания инструмента. Эти условия и требования формулируются с различных позиций и могут быть противоречивыми. Учитывая общие эксплуатационные требования: - покрытие должно быть устойчивым против коррозии и окисления; - сохранять свои свойства при высоких температурах; - не иметь дефектов (пор, включений); - обладать высоким пределом выносливости. В связи со служебным назначением покрытия должны иметь: - твердость, в 1,5-2 раза превышающую твердость инструментального материала; - низкую склонность к адгезии с обрабатываемым материалом; минимальную способность к диффузионному растворению в обрабатываемом материале;I - максимальное отличие кристаллохимических структур покрытия и инструментального материала. Свойства покрытия и инструментального материала должны быть достаточно точно близкими и согласованными. В связи с этим желательно иметь: - максимальное подобие кристаллохимических параметров, - минимальное отличие физико-механических и теплофизических свойств. - минимальную вероятность возникновения твердофазных диффузионных реакций при температуре резания. Для выполнения указанных условий при разработке инструментального материала с покрытием необходимо решать следующие научные задачи: 1. Выбор состава покрытия должен осуществляться, исходя из услония максимального снижения вероятности схватывания между обрабатываемым материалом и покрытием. Мерой снижения склонности к адгезии может служить термодинамический критерий, в соответствии с которым изобарный потенциал реакции, протекающей в двухмерном моноатомном пространстве пограничного слоя между покрытием и обрабатываемым материалом, должен иметь положительное значение. Теоретическую оценку адгезии между покрытием и обрабатываемым материалом можно осуществить также с помощью энергетического критерия, согласно которому минимизация прочности адгезии может произойти при минимальном значении величин средних значений энергии единичных связей пары «покрытие - инструментальный материал» 2. При выборе состава покрытия необходимо обеспечивать достаточно большую прочность адгезии между материалами покрытия и инструмента Максимальную прочность адгезии пары «покрытие - инструментальный материал» можно обеспечить при отрицательном значении изобарного потенциала ag° реакции в двухмерном моноатомном пограничном слое между ними или при максимальном значении величин средних энергий единичны: связей пары «покрытие - инструментальный материал». При этом материалы и покрытия и инструмента не должны образовывать хрупких интерметаллидов при термомеханических нагрузках, возникающих при резании. 3. Удовлетворительная работоспособность инструмента с покрытием может быть обеспечена при оптимальных значениях основных параметров покрытия (толщина, соотношение толщин слоев, микротвердость, фазовый состав, структура и т.д.). Поэтому при разработке инструмента с покрытием, необходимо решить задачи оптимизации параметров покрытия в зависимости от условий процесса резания. Наиболее эффективно свойствами композиционного инструментальной материала с покрытием можно управлять за счет варьирования химическим составом покрытия, его структурой и типом связи с инструментальным материалом. В свою очередь, указанные параметры сильно зависят от метода на несения покрытия и технологических условий формирования исходных свойств инструментального материала. В частности, сильное влияние структуру и дефектность покрытия, тип связи с инструментальной матрицей может оказать субструктура, загрязненность и дефекты приповерхностных слоев инструментального материала. Чрезвычайно важной задачей разработки инструментального материала с покрытием является выбор метода нанесения покрытий. Наибольшее распространение для нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент получили методы химического (газофазного) осаждения покрытий (ХОП) или методы CVD (Chemical Vapour Deposition), термодиффузионное насыщение поверхности (ТДН) и физическое осаждение покрытий в вакууме (ФОП) или PVD (Physical Vapour Deposition). Методы химического осаждения покрытий ( CVD). В основе методов CVD лежат гетерофазные реакции в парогазовой среде, окружающей инструмент, в результате которых образуются покрытия. Исходными продуктами служат газообразные галогениды, при взаимодействии которых с другими составляющими смесей (водородом, аммиаком, окисью углерода и т.д.) образуется покрытие. Разложение галогенида происходит за счет термической химической реакции при Т = 1000-1100°С. Уравнения химических реакций процессов ХОП с образованием карбидов, нитридов и оксидов в общем виде имеют следующий вид: реакция образования карбидов МеГ + Н2 +С nН m ®-> МеС + НГ + Н2, реакция образования нитридов МеГ + Н2 + N2 ® MeN + НГ + Н2, реакция образования оксидов МеГ + Н2 + С02 ® МеОт + НГ + СО, реакция образования боридов МеГ + Н2 + ВГ ® Ме n Вт, где Me - металл; Г - галоген; т, п - целые числа. Наибольшее распространение в качестве материала покрытий на твердых сплавах получили карбиды, нитриды, карбонитриды титана и оксид алюминия. Свойства покрытий сильно зависят от параметров процесса газофазового осаждения. Наиболее существенную роль играет температура на границе раздела конденсата и инструментального материала. От температуры зависят структура покрытия, прочность его адгезии с твердым сплавом, причем последнее определяется также возможностью диффузионного взаимодействия пары «покрытие - твердый сплав». Взаимная диффузия повышает прочность сцепления покрытия и твердого сплава и, в свою очередь, зависит от кристаллохимического сродства осаждаемого покрытия и твердого сплава. Однако, если на границе «покрытие - твердый сплав» за счет диффузии элемента из твердого сплма (углерод, кислород и др.), образуются устойчивые хрупкие соединения типа ( W3С o3) C (h - фаза), прочность сцепления покрытия и твердого сплава снижается. Реакции образования «h-фазы» имеет следующий ви/ (х - 2) Ti + х WC + уСо - ( x - 2) TiC + ( W3 Co3) C . На свойства и параметры покрытия (микротвердость, толщина фазовый состав, структура) оказывает влияние концентрация реагентов napoгазовой смеси, давление смеси и скорость ее подачи, исходная чистота компонентов смеси. Особенно вредно присутствие активных реагентов типа О2, Н2О, N2. которые приводят к охрупчиванию покрытия, снижению прочности адгезии с твердым сплавом, резкому изменению физико-механических и теплофизических свойств покрытия. Поэтому к чистоте исходных компонентов газовой с си предъявляют особо жесткие требования. В СНГ используют несколько разновидностей метода для нанесения крытия на многогранные твердосплавные пластины (МТП). Метод ГТ (газофазовое титанирование) разработан во Всероссийском институте твердых сплавов (ВНИИТС) и используется для нанесения износостойких покрытий (TiC , TiCN , TiC - TiCN - TiN и др.) на специальных установках карусельного типа. В СНГ также используются лицензионные технологии нанесения покрытий фирмы «Sandvik Coromant (Швеция) (технология GC) и «Plansee» (Австрия) (технология GM). В настоящее время промышленностью выпускается несколько разновидностей твердосплавных пластин с износостойким покрыти полученным по этим технологиям, области применения которых представлены в табл. 2. Таблица 2 Марки и области применения твердосплавных пластин с износостойким покрытием
На принципах методов CVD известными фирмами - производителями твердых сплавов разработаны технологии нанесения покрытий на твердосплавные пластины, выпуск которых составляет 60-90% от общего объема выпуска твердосплавных пластин. Несмотря на более высокую стоимость твердосплавных пластинок с износостойким покрытием, затраты потребителя на обработку единицы продукции при их применении ниже аналогичных затрат при использовании твердосплавных пластин без покрытия благодаря возможности повышения скорости резания и производительности, либо стойкости инструмента. В табл. 3 приведена номенклатура и области применения сплавов с износостойкими покрытиями, выпускаемыми некоторыми зарубежными фирмами. Таблица 3 Марки и области применения твердосплавных пластин с износостойкими покрытиями, выпускаемых зарубежными фирмами
Методы термодиффузионного насыщения (ТДН). При производстве твердосплавных пластин с покрытием используют также методы термодиффузионного насыщения (ТДН), к которым относится метод ДТ, разработанный но ВНИИТСе. Метод ДТ основан на термообработке твердосплавных пластин в специ альной порошковой засыпке из материалов, содержащих титан, при температурах, достаточных для реализации диффузионных реакций в среде водорода. Метод не требует специального оборудования, так как осуществляется н стандартных водородных электропечах непрерывного действия, исключается необходимость точной дозировки и очистки газа восстановителя (водорода) Производительность процесса ДТ очень высокая и составляет до 500 пластинок в час (например квадратных пластин формы 03111-120408, 03111-120412 по ГОСТ 19049-80) при выходе годной продукции не ниже 95%. Скорость роста покрытия до 10-15 мкм/ч. Вместе с тем методы ТДН, основанные на использовании порошковой технологии, имеют заметные недостатки, связанные с налипанием порошковой смеси на рабочие поверхности инструмента, необходимостью герметизации контейнера или использования защитных газов, одноразовым использованием смеси. В настоящее время промышленностью страны выпускаются пластины ВК6-TiC ДТ, рекомендуемые для обработки чугуна в области применения К10-К20. Методы физического осаждонин покрытии ( PVD). Методы PVD основаны на физическом испарении вещества в вакуумное пространство камеры с последующей подачей реакционного газа (N2, 02, СН4 и др). Отличие методов состоит в принципах физического испарения вещества, различной степени ионизации пароионного потока, конструктивных особенностях установок. Среди методов наибольшее распространение получили: конденсация вещества из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой (метод КИБ), магнетронное распыление (метод МИР), ионное плакирование. Широкие возможности варьирования температурой в зонах нанесения покрытий позволяет использовать методы PVD в качестве универсальных для нанесения покрытий на режущий инструмент из быстрорежущей стали и твердого сплава. Методы PVD универсальны также и с точки зрения возможности гаммы монослойных, многослойных покрытий на основе нитридов, карбидов, карбонитридов, оксидов, боридов тугоплавких металлов IV-VI групп Периодической таблицы. Применение методов PVD для получения покрытий на режущем инструменте существенно расширяет его технологические возможности за счет более эффективного, чем для методов CVD, управления процессами получения покрытий и их свойствами, а также направленного воздействия на геометрические, кристаллохимические дефекты поверхностных слоев инструментального материала. Среди методов PVD наибольшее распространение получил метод КИБ, сущность которого заключается в генерации вещества катодным пятном вакуумной дуги сильноточного, низковольтного разряда, развивающегося исключительно в парах металла катода. Подача в вакуумное пространство реагирующих газов приводит к конденсации покрытия на рабочие поверхности режущего инструмента благодаря протеканию плазмохимических реакций. Испарение металла, ионная бомбардировка, плазмохимические реакции и конденсация покрытия происходят в вакуумной камере, металлический корпус которой служит анодом. Характерной особенностью метода КИБ является высокая химическая активность испаряющегося материала, который состоит из высокоионизированного потока низкотемпературной плазмы. Конденсат в процессе осаждения покрытия подвергается интенсивной бомбардировке ионами испаряемого вещества, что приводит к его частичному распылению, повышению температуры в зоне формирования. В результате резко возрастает подвижность атомов на поверхности инструмента, происходит активизация химической реакции между конденсатом и компонентами реакционной газовой смеси. Еще одной особенностью процесса КИБ является возможность ускорения ионного потока путем создания отрицательного заряда (относительно корпуса камеры) на режущем инструменте. Высокая плотность энергии в катодном пятне позволяет испарять любые электропроводящие материалы, в том числе тугоплавкие IV-VI групп Периодической таблицы. Важнейшими параметрами процесса КИБ являются плотность потока и энергии ионов при бомбардировке поверхности инструментального материала и последующей конденсации покрытия. Энергия ионов будет определятся атомным строением испаряемого потенциала, ускоряющим потенциалом на инструменте, кратностью заряда ионов: Ev = Eo + ZUy, где Е0 - энергии иона на катодном пятне, Z - заряд иона, Uy - ускоряющее напряжение. В сочетании со временем воздействия энергия ионов Ev определяет температуру на рабочих поверхностях инструмента, функция которой чрезвычайно важна с точки зрения создания необходимого термомеханического уровня воздействия на поверхности инструмента для их подготовки перед нанесением покрытия и наиболее благоприятного протекания плазмохимических реакции. С учетом эффекта направленности плазменного потока необходимо учитывать положение рабочих поверхностей инструмента относительно потока. Впервые в мировой практике в нашей стране в 1976-1984 гг. разработана промышленная технология на основе метода КИБ. Свойства инструментальных материалов с покрытием. Для уяснения влияния покрытия на свойства композиции «покрытие - инструментальный материал» рассмотрим особенности структуры покрытий, формируемых различными методами. Особенности структуры и фазового состава покрытий, получаемых методами CVD представлены на примере покрытий TiC и многослойных покрытии TiC-TiCN-TiN. Покрытие TiC, наносимое на твердосплавный субстрат ТТ10К8-Б методом ГТ, состоит из поликристаллического карбида титана, параметр решетки которого составляет 0,4321-0,4926 нм, стехиометрия TiC0,6 - TiC0,9, содержание кислорода 0,7-20%, между покрытием TiC и твердым сплавом обнаруживается переходная зона (рис. 12.4).
Рис. 12.4. Структура покрытия TiC ГТ на субстрате ТТ10К8-Б При толщине покрытия TiC 5-8 мкм толщина переходной зоны составляет 1,5-3 мкм. Структура покрытия изобилует дефектами: геометрические искажения зерна, раз-нозернистость, поры, малая протяженность контакта зерен TiC между собой. Размер зерен по сечению неодинаков; если в границе раздела «ТiC - ТТ10К8 - В» размер зерен не превышает 0,3-0,5 мкм, то у поверхности он увеличивается до 0,8-1,5 мкм. Рентгеноструктурные исследования показали, что в объеме покрытия TiC существуют рентгеновские отражения различной интенсивности (200), (111), причем по мере роста толщины покрытия (времени осаждения) растет суммарный объем зерен с плоскости (111), одновременно увеличивается размер зерен по плоскости. Однако это свидетельствуеь о двух моментах. Во-первых, с ростом суммарного объема зерен с кристаллографическим направлением (111) твердость должна возрастать, так как плоскости (111) являются наиболее твердыми в кубической решетке карбида титана. Во-вторых, вместе с ростом твердости растет и хрупкость покрытия, что свидетельствует о росте его склонности к стохастическому хрупкому разрушению. Рассмотрим также структуры и фазовый состав покрытий композиционно многослойного типа TiC-TiCN-TiN.
а)
б)
в) Рис. 12.5. Структура покрытия TiC-TiCN-TiN на твердосплавном субстрате МС221 (80,63%W; 2,08% Ti; 3,38% Та; 2,12%Nb; 5,5%Со; 6,29%С): а - фрактограмма излома пластины МС2215; б - поверхность покрытия; в - торцовый шлиф сплава МС2215 (увеличение х1600), травление реактивом Мураками Покрытие TiC-TiCN-TiN обладает высокой прочностью адгезии с твердым сплавом, т.к. слой TiC, непосредственно контактирующим с твердым сплавом (рис. 12.5), имеет отрицательное значение изобарного потенциала D GoT.относительно твердосплавной матрицы. Кроме того, слой TiC увеличинает сопротивляемость задней поверхности твердосплавного инструмента адгезионно - усталостному изнашиванию Наружный слой TiN более пластичен и пассивен по отношению к конструкционным сталям и чугунам и, таким образом, обеспечивает повышение сопротивляемости инструмента физико-химическим видам изнашивания и oбразования лунки изнашивания передней поверхности. Промежуточный слои TiCN, обладая неограниченной растворимостью в TiC и TiN, обеспечивает высокую прочность их адгезии. Таким образом, покрытие TiC-TiCN-TiN сбалансированно увеличивает сопротивление изнашиванию передней и задней по верхностей твердосплавного инструмента. Анализ данных исследований структурно-фазового состава покрытии TiC-TiCN-TiN позволяет отметить следующее. Покрытие толщиной 8-9 мкм имеет трехфазный состав. Супермелкодисперсный поверхностный слой TiC толщиной 4-5 мкм примыкает к переходному слою TiCN, толщина которого составила 1,5-2 мкм. Слой TiC, непосредственно примыкающий к твердому сплаву, имеет толщину 1,5-2 мкм. В слоях TiC и TiCN обнаружен супермелкодисперсный слой типа h-фаза толщиной около 0,5-1 мкм. Для сплава МС2215, МС1465 отмечено снижение дефектности кристаллического строения, особенно для слоя TiN (см. рис. 12.5) резко увеличивается протяженность контакта зерен. Последнее свидетельствует о росте потенциальных возможностей покрытия TiC-TiCN-TiN сопротивляться хрупкому разрушению. Если для зерен покрытия TiC рентгенографически установлена кристаллографическая разориентированность, то большинство зерен слоя TiN имели ориентировку (0001) и (220), расположенных примерно параллельно поверхности субстрата (см. рис. 12.5). Структура, фазовый состав ионно-плазменных покрытий, формируемых методом КИБ, зависят от параметров процесса нанесения (ток дуги, напряжение на инструменте, расстояние инструмента от катода испарителя, время ионной бомбардировки и конденсации покрытия), однако наибольшее влияние на основные свойства покрытия (фазовый состав, параметр кристаллической решетки, ее микро- и макроискажения, микротвердость, структурные и геометрические дефекты и т.д.) оказывает давление рабочего (реакционного) газа. Толщина покрытия является важнейшим параметром, оказывающим двойственное влияние на работоспособность и надежность режущего инструмента. С одной стороны, рост толщины покрытия благоприятно сказывается на повышении износостойкости контактных площадок режущего инструмента, с другой - приводит к заметному увеличению количества дефектов в покрытии, снижению прочности сцепления покрытия и инструментального материала, ухудшает способность покрытия сопротивляться хрупкому разрушению при деформациях. Кроме того, с ростом толщины покрытия растут остаточные (термические) напряжения в покрытии, увеличивается градиент напряжений на границе раздела «покрытие - инструментальный материал». Последнее уве-ивает тенденцию к хрупкому разрушению покрытия и его полному отслаиванию от инструмента, особенно на криволинейных участках его рабочих поверхностей. Таким образом, при выборе толщины покрытия необходимо учитывать множество противоречиво действующих факторов, что требует оптимизации толщины покрытия в зависимости от условий обработки и свойств инструментального материала. Влияние толщины покрытия на показатели работоспособности инструмента в зависимости от условий обработки рассмотрим на примере данных, представленных на рис. 12.9, 12.10. Наиболее показательным является тот факт, что функции T= f( hn ), vТ= f( hn ) имеют выраженный экстремум, причем оптимальное значение толщины покрытия hп достаточно заметно изменяется в зависимости от условий обработки, состава и архитектуры покрытия, марки инструментального материала. С учетом несовпадения экстремумов функций T = f( hn ), и vТ = f( hn ) выбор оптимальной толщины покрытия следует производить в области между h п - Ттах и hn - vТ min (рис.12.11).
Рис. 12.9. Влияние толщины покрытия TiC ГТ на стойкость и ее вариационные разбросы при точении: 1,4- точение стали 45 НВ 180 пластинами T5K10 с (t = 1 мм; S = 0,15 мм/об; v = =150 м/мин; 2, 5 - точение серого чугуна СЧ32 НВ200 пластинами ВК6 с t = 2 мм; S = 0,15 мм/об; v = 130 м/мин; 3, 6 -точение стали 45 НВ180 пластинами ВК6 с (t = 1 мм; S = 0,15 мм/об; v = 150 м/мин
Данные по оптимальным толщинам покрытий для твердосплавных пластин и некоторых инструментов из быстрорежущей стали представлены в табл. 12.4. Таблица Оптимальные значения толщин покрытии, наносимых на режущий инструмент методом КИБ
Особенности структуры, фазового состава и переходной зоны покрытий, получаемых методами CVD и PVD, предопределяет трансформацию основных физико-механических свойств композиции «покрытие - инструментальный материал» в сравнении со свойствами исходного инструментального материала. В частности, покрытия, получаемые методами CVD и PVD, заметно повышают поверхностную твердость инструментального материала (HV30 =9,4 - 9,8 ГПа - HV30 = 18,0 - 22,0 ГПа для инструмента из быстрорежущей стали и HV30 = 14,0 - 17,0 ГПа - HV30 = 22,0 - 30,0 ГПа для инструмента из твердого сплава). Сильно изменяется прочность при изгибе sи и коэффициент ее вариации v s, причем эти изменения зависят от метода нанесения покрытия.
Рис. 12.10. Влияние толщины покрытия TiN на стойкость и вариационные разбросы резцов, оснашенных пластинами Р6М5 при точении стали 45 НВ180 с t=2 мм; S = 0,3 мм/об; v = 49 м/мин
Рис. 12.11. Схема к определению рациональной толщины покрытия
Рассеивание прочности при изгибе sи, консольном изгибе sск ударно-циклическом приложении нагрузки sудск достаточно хорошо аппроксимируется интегральным распределением Вейбулла. Изменения прочности сплава ВК6 и зависимости от варианта покрытий, полученных методами CVD и PVD, представлены на рис. 12.12.
Рис. 12.12. Результаты прочностных испытаний твердосплавных штабиков 5х5х35 мм из ВК6: 1 - ВК6; 2 – ВК6-TiN КИБ (PVD); 3 - ВК6-Тi ГТ (CVD); 4 - ВК6-ТC ДТ (TDH)
Проведенный анализ позволяет отметить, что покрытия, полученные вакуумно-плазменным способом КИБ (PVD), способствуют снижению рассеивания прочностных свойств твердого сплава, не снижая среднего значения его прочности ( sи), в то время как покрытия, получаемые высокотемпературным способом CVD, снижают среднее значение прочности ( sи) на 20-40%, несколько уменьшая ее рассеивание. Данные по влиянию покрытий на прочностные характеристики инструментального материала можно интерпретировать применительно к поведению инструмента под воздействием термомеханических нагрузок при резании. В частности, на основании полученных данных можно утверждать, что режущий инструмент с покрытием PVD в меньшей степени будет реагировать на увеличение эксплуатационных нагрузок с ростом толщины среза (подачи) и при прерывистом резании (ударно-циклическом приложении нагрузок), в то время как при непрерывном резании (точении, сверлении, зенкеровании, протягивании и др.) при малых и средних сечениях среза (подачах) преимущество могут иметь инструменты с покрытием CVD, имеющих более прочную адгезию покрытия с инструментальным материалом и отсутствие в нем дефектов (в виде капельной, металлической фазы и др.). |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2019-04-19; Просмотров: 244; Нарушение авторского права страницы
