Выбор свойств износостойких покрытий

При разработке режущего инструмента сизно­состойким покрытием важно уяснить требования к покры­тию исходя из условий его разрушения на контактных площадках инструмента и роли в сложных процессах их изнашивания.

При обработке конструкционных сталей с обычными для про­изводственных условий режимами резания максимальные кон­тактные напряжения для острозаточенного инструмента могут колебаться в пределах 400-800 МПа, в экстремальных условиях эти напряжения могут достигать 3000-4000 МПа.

Первое требование, которому должно удовлетворять покры­тие, это способность сопротивляться разрушению при напряже­ниях до 4000 МПа. Второе требование - способность покрытия сохранять свои свойства при температуре 200-1100°С, т.е. температуре, возникающей в процессе резания.

Функциональные параметры процесса резания объективно отражают уро­вень физических явлений при резании и имеют функциональные связи с входными факторами процесса резания.

Если с ростом температуры изменение физико-механических и теплофизических свойств материалов инструмента и покрытия будет происходить неодинаково, покрытие может разрушиться. При прерывистом резании, образовании стружки дискретного типа, колебании припуска контактные площадки инструмента подвергаются интенсивному воздействию знакопеременных на­пряжений, тепловое воздействие на инструмент носит цикличе­ский характер. Для достаточной устойчивости к разрушению в этих условиях покрытие должно обладать высокими пределами выносливости, ударной вязкостью, должно быть малочувстви­тельным к воздействию циклических силовых и температурных нагрузок.

Непосредственными причинами изнашивания контактных пло­щадок инструмента являются интегрально протекающие процессы абразивного, адгезионного, адгезионно-усталостного, коррозионно-окислительного, диффузионного изнашивания. Если сопро­тивление абразивному изнашиванию достаточно эффективно может быть повышено путем увеличения твердости контактных площадок, то адгезионно-усталостные и диффузионные виды изнашивания инструмента в значительной степени зависят от кристаллохимических структур инструментального и обрабатываемого мате­риалов.

При выраженных адгезионных видах изнашивания инстру­мента, обычно протекающих при резании с малыми и средними скоростями резания (температура 350-550 °С), происходит отрыв или срез мельчайших частиц инструментального материала под действием сил адгезии. Интенсивность разрушения и возникнове­ния «мостиков» адгезии весьма велика. В частности, Т. Н. Лоладзе указывает, что на 1 м пути резания каждая точка контакта подвергается тысячекратному воздействию срезающих напря­жений. Такое воздействие приводит к усталости локальных объемов инструментального материала и их последующему раз­рушению. Роль покрытия в этих условиях должна сводиться к уменьшению интенсивности схватывания контактных площадок инструмента с обрабатываемым материалом, а само покрытие должно достаточно эффективно сопротивляться усталостному разрушению.

По мере роста скорости резания и зоне обработки возникает температура, превышающая 600—700°С, активизируются интердиффузионные процессы, приводящие к взаимному диффузион­ному растворению компонентов инструментального и обрабатываемого материалов. В результате интердиффузии происходят структурные превращения в локальных приповерхностных слоях инструментального материала, что, в свою очередь, приводит к их разупрочнению, охрупчиванию. Одновременно возрастают напряжения в плоскости сдвига как следствие упрочнения объемов обрабатываемого материала, что приводит к разрушению раз-упрочненных структур инструментального материала. Поэтому у покрытия должна быть высокая сопротивляемость твердо- и жидкофазным диффузионным реакциям с обрабатываемым ма­териалом. В этом случае роль покрытия должна сводиться к «барь­ерной» функции, что может быть достигнуто введением в состав покрытия элементов с малой диффузионной подвижностью при температуре, соответствующей температуре, возникающей в про­цессе резания.

Участки упругого (дискретного) контакта между контактирую­щими поверхностями инструментального и обрабатываемого ма­териалов подвергаются воздействию активных реагентов из окру­жающей среды. В результате происходит интенсивное окисление и коррозия участков упругого контакта инструмента. Роль по­крытия в этих условиях заключается в повышении сопротивляе­мости инструментального материала высокотемпературным кор­розии и окислению.

Исходя из концепции покрытия как промежуточной техноло­гической среды между инструментальным и обрабатываемым ма­териалами, сформулированы [2] требования к износостойким покрытиям, наносимым на режущий инструмент. Эти требования определяются служебным назначением инструмента, необходи­мостью согласования свойств материалов покрытия и инструмента и подходом к композиции покрытие — инструментальный ма­териал как единому композиционному телу. Кроме того, выбран­ный состав покрытия должен обеспечиваться соответствующими технологическими условиями получения и отвечать общему под­ходу к покрытию как материалу, работающему в условиях тяже­лого нагружения. Поэтому требования к покрытию, формируе­мому на рабочих поверхностях инструмента, могут быть обоб­щены и классифицированы по общим признакам на четыре группы (рис. 8.2). [2]

Рис. 8.2. Классификация основных требований к износостойким покрытиям, наносимым на рабочие поверхности инструмента

1-высокая твердость материала П, превышающая твердость ИМ при температуре ре­зания; 2-инертность покрытия к физико-химическим процессам при взаимодействии с ОМ во всем диапазоне температур резания; 3-устойчивость материала П к коррозии и окислению при повышенных температурах; 4-стабильность физико-механических свойств П при температурах, не ниже температур структурно-фазовых превращений в ИМ; 5-устойчивость материала П к высокотемпературной ползучести; 6-высокая сопро­тивляемость П разрушению в условиях циклического характера термомеханического нагружения режущей части инструмента; 7-кристаллохимическое средство материалов П и инструмента; 8-оптимальное соотношение теплофизико-механических свойств П и ИМ; 9-пониженная склонность к твердо- и жидкофазным реакциям между П и ИМ во всем диапазоне действующих термомеханических напряжений; 10-низкая склонность к формированию хрупких интерметаллидных соединений на границе кон­такта П-ИМ; 11-энергетический уровень затрат на формирование покрытия, не пре­вышающий уровень энергий, приводящих к рекристаллизационным процессам в ИМ; 12-возможность обеспечения технологических условий для формирования П заданного химического состава; 13-возможность формирования покрытия заданного состава и структуры; 14-соотношение технологических параметров нанесения покрытий его заданные состав и свойства; 15-высокая плотность и сплошность покры­тия, исключающая доступ активных реагентов к поверхности ИМ; 16-идентичность свойств и структуры покрытия на всех рабочих поверхностях инструмента; 17-возмож­ность формирования покрытия предельно простым способом; 18-сохранение физико-механических П по времени

Наиболее важным условием успешной эксплуатации режущего инструмента с износостойким покрытием является необходимость обеспечения прочной адгезии между покрытием и инструменталь­ным материалом.

Рассмотрим общие принципы соединения двух разнородных тел.

На границе соприкосновения двух фаз происходят физико-химические процессы взаимодействия. Адгезия фаз совершается за две стадии:

1) сближение поверхностей до квантового уровня и их физический контакт;

2) образование химических связей, которое осуществляется, если поверхностные атомы соединяемых тел находятся в состоянии физической адсорбции и возбуждены до определенного уровня; при этом в квантово-механическое взаимодействие вступают только те атомы, которые находятся на расстоянии, достаточном для перекрытия их волновых функций.

В обычных условиях поверхность твердого тела, как правило, инертна, поскольку валентные электроны ее атомов взаимо­действуют с атомами адсорбционного поверхностного слоя, со­стоящего из слоя оксида, адсорбционных газов, молекул воды, адсорбционных слоев полярных и неполярных молекул органи­ческого вещества. Для разрушения поверхностных пленок и элек­тронных конфигураций необходим подвод энергии. Она может сообщаться телу в виде теплоты (термическая активация), упругопластического деформирования (механическая активация) и облучений разного рода (радиационная активация).

При сближении двух фаз до квантового уровня возникают силы межмолекулярного притяжения (силы Ван дер Ваальса).

Проанализируем принципиальную структурно-кинетическую модель процесса нанесения покрытия на режущий инструмент (рис. 8.3).

Согласно представленной модели массоперенос вещества при испарении (сублимации), конденсации (осаждении) и сорбции (поглощении) может быть оценен уравнением

М₀ = М_И + М_п + АГр,

где М₀ — число частиц испаряющегося (или поданного в рабочее пространство) вещества, способных достичь поверхности ин­струмента; М_И — число частиц, сконденсированных на поверх­ности инструмента; М_п — число частиц, поглощенных инструмен­тальным материалом (сорбция, диффузия и др.); М_р — число частиц, отраженных от поверхности.

 

Рис. 8.3 Принципиальная структурно-кинематическая модель процесса формирования покрытия на рабочих поверхностях инструмента

В общем виде суммарная масса сконденсированных и отражен­ных частиц может быть представлена равенством М₀ - М_р = М_И + М_п. От соотношения масс сконденсированных и отра­женных частиц зависят важнейшие параметры покрытия: тол­щина, структура, дефектность, свойства, тип формируемой связи между покрытиями и инструментальным материалом.

Таким образом, укрупнено можно сформулировать основные требования к покрытиям:

К покрытиям в зависимости от материала и условий эксплуатации режущего инструмента, предъявляются своего рода технологические требования, которые можно подразделить на четыре категории.

Во-первых, это условие, учитывающее условия работы инструмента. Покрытие должно обладать: высокой твердостью, превышающей твердость материала инструмента; устойчивостью к высокотемпературной коррозии; отсутствие схватываемости с обрабатываемым материалом во всем диапазоне температур резания; устойчивостью к разрушению при колебании температур и напряжений; постоянством механических свойств, даже при температурах, близких к температурам разрушения инструментального материала.

Во-вторых, это необходимость совместимости свойств материала покрытия со свойствами материала инструмента: сродство кристаллохимического строения материала покрытия и инструмента; оптимальное соотношение материалов покрытия и инструмента по модулям упругости, коэффициентам Пуассона и линейного расширения, теплопроводности; малая склонность к образованию хрупких вторичных соединений.

В-третьих, это требования к технологическим особенностям метода нанесения покрытий: создание в процессе нанесения покрытия на инструмент условий, не оказывающих существенного влияния на физические и кристаллохимические свойства материала инструмента.

В-четвертых, требования, относящиеся к покрытиям в целом: покрытие должно быть сплошным и иметь постоянную плотность по всему объему, тем самым, защищая материал инструмента от соприкосновения с обрабатываемым материалом и газовой средой; стабильность свойств покрытия во времени; малость колебаний толщины покрытия в процессе работы, позволяющая не изменять рельеф материала инструмента.

Наиболее важной функцией покрытия при взаимодействии с обрабатываемым материалом является управление процессом резания и термомеханическим нагружением режущей части ин­струмента. Взаимодействие покрытия на контактной площадке передней поверхности со срезаемым слоем определяет характер протекающих контактных процессов и, в частности, такие ха­рактеристики, как длина контакта, контактные деформации, мощность теплового источника на передней поверхности, контакт­ные напряжения, напряжения сдвига и т. д. Взаимодействие по­крытия на контактной площадке задней поверхности с обрабаты­ваемым материалом влияет на мощность теплового источника на задней поверхности, характер формирования приповерхностных слоев обрабатываемых деталей, упругое последствие и, таким об­разом, сильно влияет на качественно-точностные характеристики обрабатываемых деталей.

Указанное многообразие факторов, на которые влияет покры­тие, в большой степени зависит от физико-химического сродства обрабатываемого материала и покрытия. При низких и средних температурах это сродство определяет прочность адгезии, при вы­соких - характер и интенсивность твердофазных и жидкофазных диффузионных реакций, контактно-реактивное плавление.

Существуют различные условия выбора свойств покрытия для различных видов контактного взаимодействия покрытия и обрабатываемого материала.

При низких и средних скоростях резания происходит взаимо­действие контактирующих поверхностей в условиях слабого изменения исходных свойств контактирующих материалов. При средних температурах и контактных напряжениях возникает адгезионное взаимодействие между покрытием и обрабатываемым материалом при их дискретном контакте, что позволяет внешней среде достаточно свободно проникать в зону контакта. При высоких скоростях резания температура возрастает, увеличивается предел текучести контактных слоев обрабатываемого ма­териала, устанавливается сплошной контакт, снижается скорость относительного скольжения, резко возрастает возможность хими­ческих реакций и диффузии между покрытием и обрабатываемым материалом. При таком характере взаимодействия покрытия и обрабатываемого материала высока вероятность одновременного действия адгезионного, адгезионно-усталостного, абразивного, коррозионно-окислительного, диффузионного видов изнашивания режущего инструмента.

Таким образом, одной из задач при создании инструмента с покрытием является выбор состава покрытия в зависимости от условий обработки.

На настоящий момент известно, что в наибольшей степени концепции покрытия как промежуточной технологической среды удовлетво­ряет покрытие композиционно-многослойного типа. В настоящее время в мировой практике производства режу­щего инструмента разработаны новые составы износостойких по­крытий на основе композиционно-многослойного принципа. Рассмотрим общий подход к разработке таких покрытий (рис. 8.4) [2], который позволяет уяснить общие принципы создания многослой­но-композиционных покрытий. Такое покрытие содержит не­сколько промежуточных слоев, каждый из которых имеет соб­ственное функциональное назначение.

Слой а, непосредственно примыкающий к инструментальному материалу, должен обеспечивать прочную связь покрытия с ра­бочими поверхностями инструмента. Поэтому кристаллохимическое строение этого слоя и инструментального материала должно быть предельно идентично. Вместе с тем при эксплуатационных температурах на границе раздела слоя а и инструментального материала не должно образовываться хрупких металлидов или декарбидизующих фаз, снижающих прочность адгезии покрытия и инструментального материала. Необходимо также обеспечение минимальной разницы тепло- и физико-механических свойств ма­териалов покрытия и инструмента (коэффициента термического

расширения, Пуассона, модуль упругости и т. д.), так как в противном случае при эксплуа­тационных термомеханических нагрузках концентрация нап­ряжений приведет к разруше­нию покрытия по границе раз­дела покрытие — инструмен­тальный материал.

Рис. 8.4. Схема построения покрытия много­слойно-композиционного типа: а — слой, непосредственно примыкающий к инструментальному материалу; б, г — переходные слои; в — барьерный слой; д — наружный слой; ПС — переходный диф­фузионный слой, формируемый в припо­верхностных слоях инструментального ма­териала (характерен для покрытий со II в III типами связи с матрицей)

Не менее важную функцию выполняет слой д, непосредствен­но контактирующий с обрабатываемым материалом. При выборе свойств материала слоя д необходимо, чтобы его кристаллохимическое строение максимально отличалось от соответствующего строения обрабатываемого материала. Функции управления ха­рактеристиками процесса резания с помощью слоя д можно осу­ществлять путем варьирования его химсостава, структуры и строения.

Назначение слоев в и г состоит в осуществлении адгезионной связи между функциональными слоями а и д. Кроме того, про­межуточные слои б и г могут обладать и барьерными функциями, например увеличить или снижать термодинамическую устойчи­вость покрытия или его теплопроводность.

Примером использования такого рода подхода могут служить разработанные новые технологические процессы нанесения однослойных и многослойных покрытий сложного состава на основе нитридов икарбонитридов титана - технология нанесения покрытий в комбинированном температурном режиме, которая позволяет повысить работоспособность режущего инструмента с покрытием в 2—3 раза и не требует дополнитель­ных затрат, так как реализуется только за счет из­менения темпера­турного режима конденсации по­крытия. На осно­ве выявленного механизма изме­нения свойств ма­териала покрытия при его легирова­нии разработана технология нанесения износостойких покрытии, легирован­ных железом, алюминием, кремнием. Такие покрытия позволяют увеличить период стой­кости режущего инструмента в 2—3 раза по сравнению с покрытиями на основе нитрида титана. Технология нанесения покрытий на основе карбонитридов как простого, так и сложного состава позволяет дополнительно повысить стойкость режущего инструмента в 1,5—2 раза по сравнению с покрытиями на основе нитридов аналогичного состава. Кроме того, успешно применяется также технология нанесения покры­тий с использованием составных катодов, су­щественно расширяющая возможности мето­да КИБ при нанесении многослойных покрытий.

С учетом двойственной природы покрытия, как технологической промежуточной среды между инструментальным и обрабатываемым материалами, использование одного из тугоплавких соединений в качестве покрытия не всегда удовлетворяет комплексу требований к покрытию. Поэтому на практике, при производстве режущего инструмента с покрытием все большее применение находят многослойно-композиционные покрытия с переменными свойствами и химическим составом. Кроме того, они способны хорошо сопротивляться хрупкому разрушению в условиях развития трещин или при сильных пластических деформациях режущей части. Многослойные покрытия рекомендуется наносить на весьма хрупкие и кристаллохимически несовместимые с инструментальным материалом системы, обладающие наибольшей термодинамической устойчивостью среди всех известных соединений. К таким системам можно отнести некоторые оксиды (особенно Al₂O₃), бориды (HfB₂, NbB₂, TaB₂) и Si₃N₄. Такие соединения способны сохранять высокую твердость при больших температурах, имеют повышенную пассивность по отношению к обрабатываемым материалам. Эти соединения должны входить в состав многослойно-композиционных покрытий в качестве барьерных слоев, которые могли бы эффективно сдерживать диффузионные процессы, служить своеобразным термоизолирующим слоем, снижать склонность инструментального материала к коррозии и окислению при высоких температурах.

Значительный интерес в качестве основы покрытий представляют двойные и тройные системы карбидов, нитридов, а также карбонитридов переходных материалов

пары карбид-карбид: TiC-ZrC; ZrC-TaC; MoC-WC; TiC-TaC; TiC-HfC; Cr₃₃C₆-Mn₂₃C₆; Cr₇C₃-Mn₇C₃;

пары нитрид-нитрид: TiN-ZrN; ZrN-HfN; TaN-CrN; TiN-HfN; CrN-MoN;

пары карбид нитрид: TiC-TiN; ZrN-ZrC; TiC-ZrN; NbC-TiN; TiC-VN; ZrN;

Высокая термодинамическая устойчивость, твердость и прочность этих соединений обусловлена большим подобием структур и близкими размерами атомов, с чем связано и наличие значительных областей растворимости. Двойные и тройные соединения имеют широкую область растворимости и перспективны при разработке композиционных покрытий.

Как и для однослойных покрытий, свойства многослойных покрытий непосредственно зависят от технологических особенностей процесса их нанесения на рабочую поверхность режущего инструмента. Выше сказанное можно проиллюстрировать на примере покрытия TiCN, наносимого методом КИБ. Период решетки данного покрытия зависит от соотношения между количеством азота и углеводородной смеси в реакционном газе. Период решетки максимален и равен 4.325 Å, когда реактивный газ содержит только углеводородную смесь, и минимальный период – 4.261 Å, когда реактивный газ содержит только азот.

На практике часто используются двухслойные структуры, состоящие из промежуточного слоя карбидов, нитридов, карбонитридов металлов IV-VI групп, AlN и SiO₂ (для керамических инструментов) и поверхностного слоя Al₂O₃, обеспечивающего достаточную защиту от коррозии. Толщина подслоя в них изменяется в пределах от 0.1 до 10 мкм, а наружного слоя – от 1 до 10 мкм. Такие двухслойные покрытия, как правило, наносятся на нитридокремневые керамические покрытия; кроме того, они обеспечивают превосходную износостойкость и ударную вязкость твердых сплавов. В частности, представляет интерес двухслойное износостойкое покрытие на керамическом инструменте (основа – Si₃N₄). Оно состоит из внутреннего слоя толщиной 0.5-20 мкм, представляющего собой смесь Al₂O₃ с AlN, и внешнего слоя Al₂O₃ толщиной 1-10 мкм. Такое покрытие может также наносится на Al₂O₃ , карбиды и нитриды кремния.

Al₂O₃ в качестве внешнего слоя снижает усилия резания и благодаря устойчивости при высоких температурах обеспечивает наилучшую стойкость инструмента при обработке стали и чугуна с большими скоростями. Из-за низкой теплопроводности Al₂O₃ его применяют в качестве промежуточного слоя. Слой Al₂O₃ толщиной 0.2-0.3 мкм наносят также для образования диффузионного барьера перед осаждением TiN и TiC, что благоприятно влияет на стойкость инструмента.

В многослойных покрытиях используют TiC (нижний слой) (так как данное соединение обеспечивает высокую адгезию с материалом инструмента), TiN (верхний слой) (обладающее меньшей адгезией и менее хрупкое, чем TiC) и переходное состояние Ti(C,N) – в качестве промежуточного слоя. Покрытия на основе титана повышают стойкость твердосплавных режущих пластин в 4-6 раз, на 50-100% увеличивают скорость резания.

При резании со значительными скоростями и ударными нагрузками эффективно многослойное покрытие WC/TiC + TiC + Ti(C,N).

При высоких скоростях резания с большей тепловой нагрузкой эффективно покрытие TiC + TiB₂.

Как правило, толщина покрытий на твердосплавном инструменте составляет 4-10 мкм (иногда до 15 мкм), а дальних слоев (в зависимости от их количества) – от 1 до 3-4 мкм. Большая толщина в связи с хрупкостью соединения может снизить суммарную вязкость материала.

Существенно повысить стабильность кристаллохимических свойств материала можно путем применения покрытий на основе системы (Ti,Cr)N, которая обладает высокой сопротивляемостью к окислению и сохраняет свои характеристики при более высоких температурах, чем покрытия из TiC т TiN. Такая стабилизация свойств обусловлена большей прочностью связи атомов в кристаллической решетке, которая формируется в процессе замещения атомов азота атомами хрома, имеющими меньший размер.

Особый интерес вызывает композиционное покрытие двойного нитрида (Ti,Al)N. Это покрытие обладает такой же кубической структурой, как и TiN, но имеет меньший период решетки, что отражается на его твердости (в 0.6 раза больше, чем у TiN). Покрытие (Ti,Al)N стабильно при температуре 710-830 ^оС, в то время, как покрытие TiN начинает окислятся при 550 ^оС. Объясняется это тем, что на поверхности (Ti,Al)N формируется защитный аморфный слой Al₂O₃ предотвращающий дальнейшее окисление. Следовательно долговечность инструмента с покрытием из (Ti,Al)N значительно превосходит долговечность инструмента с нитридотитановым слоем. Например, стойкость сверла из быстрорежущей стали с покрытием из (Ti,Al)N при сверлении отверстия в чугуне и сплаве Al-Si соответственно в 12.3 раза выше, чем у сверла с нитридотитановым слоем. Данное покрытие наносят, как правило, методом ФОП на любые инструментальные материалы.

Способность покрытия выполнять свои функции во многом определяется реальными дефектами, которые возникают в покрытии в процессе его формирования на рабочих поверхностях режущего инструмента. К наиболее опасным дефектам покрытия относят поры, включения инородных элементов, отклонение от стехиометрического состава, структурную неоднородность, разнозернистость, микро- и макротрещины.

Напряжения, возникающие в процессе формирования покры­тия и эксплуатации режущего инструмента, могут привести к сле­дующим последствиям: снижению прочности сцепления покрытия и инструментального материала; ухудшению физико-механических свойств покрытия и композиции покрытие—инструментальный материал в целом; формированию опасных внутренних микро­трещин, способных при действии эксплуатационных нагрузок при­вести к разрушению покрытия.

Для оценки остаточных и эксплуатационных напряжений в по­крытии используют упрощенные и экспериментальные методики, а также методы конечных элементов.

 

8.4. Контрольные вопросы:

 

1. В чем преимущества однослойных покрытий перед многослойными?

2. В чем преимущества многослойных покрытий перед однослойными?

3. Каковы условия выбора состава и конструкции покрытия?

4. Как формируются основные требования к покрытиям?

5. В чем заключается принципиальная схема формирования покрытий на режущих инструментах?