Механизмы износа и разрушения инструментов с покрытиями

 

Эффект повышения стойкости инструмента объясняется в основном высокой твердостью, антифрикционными свойствами покрытия, снижением активности адгезионных и диффузионных процессов в зоне резания.

Отмечено, что покрытие может не разрушаться даже после значительной деформации основы, а также велика роль покрытия, как диффузионного барьера, практически полностью устраняющего диффузионные процессы между инструменталь­ным и обрабатываемым материалом.

В настоящее время достаточно много работ, в которых рассматривается механизм изнашивания твердосплавных пластин с покрытием применительно к непрерывному точению стали в условиях адгезионно-усталостных видов изнашивания, устанавливается роль покрытия в этих условиях и на основе статистической обработки результатов большого количества стойкостных испытаний предложены мо­дели стойкости твердосплавных инструментов с покрытиями, в том чис­ле и нанесенными методом КИБ.

При исследовании контактных характеристик процесса резания инструментом из быстрорежущей стали с покрытием КИБ установлено, что при определенных условиях покрытие на передней поверхности инструмента может не разрушаться в течение длительно­го времени до появления системы хрупких трещин, которые приводят к дроблению и отрыву достаточно крупных фрагментов покрытия. Воз­никновение трещин объясняется термомеханическими напряжениями в зоне контакта, но не связывается со свойства­ми покрытия. При этом считается, что важнейшей причиной выхода из строя инструмента с покрытием является хрупкое разрушение покры­тия, интенсивность которого связана с условиями его формирования. В результате установлено, что изнашивание инструмента с покрыти­ем происходит вследствие изменения геометрии контактных площадок из-за деформации режущей части инструмента, разрушения покрытия на контактных площадках в результате трещинообразования и последующе­го износа основы и доказано, что трещина начинает свой рост от де­фектов покрытия: капельной фазы, расположенной как на поверхности, так и внутри покрытия, микропустот, образованных при получении покрытия, микровырывов, вызванных локальным разрушением покрытия. Полости микротрещин, существующих вокруг дефектов, заполня­ются обрабатываемым металлом, находящимся в вязкотекучем состоянии, что обуславливает начало диффузионных процессов между обраба­тываемым материалом и покрытием. За счет роста микротрещин, попав­ших в область растягивающих напряжений, появляется сеть микротрещин, что является предпосылкой к росту магистральной трещины, ко­торая проходит по руслам мелких трещин, вызывающих частое изменение её направления. Дальнейшее разрушение покрытия заключается в расклинивающем воздействии затекающего в трещину обрабатываемого материала.

При внедрении клина объёмы, прилегающие к трещине, выдавливаются по обе её стороны. Увеличение объема обрабатываемого материала в трещине вызывает скалывания покрытия на её границах, что является дополнитель­ным источником распространения трещин. При достижении трещиной границы покрытия и основы трещина или прекращает свой рост, или продолжает движение вдоль границы, вызывая разрушение покрытия. Нестабильность нагружения инструмента в процессе резания вызывает возникновение упругих волн, способствующих ветвлению трещин. При ветвлении магистральная и ответвляющаяся трещины "отталкива­ются" друг от друга и расходятся в различных направлениях. Магистральная трещина продолжает движение и совершает очередной акт ветвления, в то время, как ответвляющаяся трещина замыкается на соседней трещине. Таким образом, обосновывают появление замкнутой сетки трещин и последующее интенсивное разрушение покрытия.

При изучении разрушения покрытий, осажденных на основу из быстрорежущей стали установлено, что дефекты в ви­де микрокапельной составляющей интенсифицируют процессы адгезион­ного взаимодействия между покрытием и обрабатываемым материалом, что является причиной зарождения и развития трещин в покрытии.

Рост трещин объясняется усталостными процессами. Инициирующая роль в развитии и ветвлении трещин принадлежит пластической деформации, свойственной инструментам из быстрорежущей стали. После разру­шения покрытия, на контактных площадках образующиеся полости заполняются обрабатываемым материалом, создающим устойчивые налипы, которые увеличивают трение в зоне резания. Зафиксировано разруше­ние покрытия на контактных площадках уже в первые минуты работы резцов из стали Р6М5.

Высокая трещиностойкость сложных покрытий объясняется упрочнением их при введении легирующих элементов (твердорастворное упрочнение), а также созданием слоистых структур с чередованием большого количества тонких слоев TiN, TiZrN и ZrN при осаждении ИП TiZrN из раздельных катодов (микроструктурное упрочнение).

При этом нанесение покрытия на вращающийся инструмент приводит к формированию слоистых структур, которые лучше сопротивляются зарождению и развитию хрупких трещин, т.к. для таких покрытий вероятен механизм разрушения сдвигом элементарных слоев.

Таблица 10.1

Трещиностойкость износостойких покрытий

	Покрытие	Микротвердость Нμ, ГПа	Коэффициент отслоения К0	Коэффициент трещиностойкости КТР*
TiN	21,2	1,5	0,78±0,016
TiCN	31,1	0,6	0,70±0,016
TiZrN	41,5	0,5	0,45±0,012
TiAlN	31,68	0,1	0,39±0,009
TiFeN	22,7	0,6	0,28±0,008

* Коэффициент трещиностойкости определялся на твердомере ТК-2М (нагрузка 1000 Н) как отношение площади разрушенного покрытия вокруг отпечатка алмазного конического индентора к площади “потенциально возможного отслоения” – площади многоугольника, вершинами которого являются концы радиальных трещин. Двух- и трехслойные покрытия различаются и характером разрушения. Например, если для МП TiCN-TiN отмечается разрушение на больших площадях сразу после образования сетки трещин, то МП TiCN-TiZrN-TiN разрушается сначала только вокруг крупных трещин, оставаясь на прочей площади целым более длительное время.

Таблица 10.2.

Механические свойства и трещиностойкость износостойких покрытий (фрезерование)

Состав покрытия*	Нµ, ГПа	К0	Число циклов до (v = 247 м/мин, sz = 0,4 мм/зуб)
выхода трещины на РК**	образования сетки трещин	разрушения ИП
TiCN(2)-TiN(4)	34,1	1,16
TiCN(2)-TiZrN(2)-TiN(2)	38,7	0,21
TiCN(1,5)-TiZrN(1,5)-TiN(1,5)	36,1	0,22
TiCN(3)-TiZrN(3)-TiN(3)	35,7	0,61

* В скобках указана толщина слоев (мкм).

Таким образом, основной причиной начального разрушения покрытий является зарождение, подрастание и развитие хрупких трещин, возникающих в результате адгезионного взаимодействия контак­тирующих поверхностей обрабатываемого материала с микрообъёмами металла, затекающими в поверхностные дефекты покрытия. Фактором, инициирующим адгезионное взаимодействие, являются поверхностные дефекты покрытия в виде капельной фазы материала катода. Если развитие магистральной трещины приводит к послойному отделению час­тиц покрытия, то такое покрытие позволяет резко увеличить износостойкость контактных площадок режущего инструмента (покрытия оптимальной толщины). Если магистральная трещина развивается на всю толщину покрытия и распространяется вдоль границы раздела "покрытие-основа", то это приводит к полному отслаиванию покрытия на контактных площадках инструмента и резкому снижению эффективности пок­рытия (покрытие толщиной существенно меньше или больше оптимальной, нестехиометрия состава, размеры дефектов в виде капельной фазы и гор, соизмеримые с толщиной покрытия).

В целом интенсивность изнашивания и работоспособность многолезвийного инструмента также сильно зависят от пространственного положения режущих элементов инструмента относительно потока плазмы, а интенсивность и характер разрушения покрытия определяются качественными характеристиками, среди которых наиболее важными являются толщина, микротвердость, стехиометрия состава, а также дефектность полученного покрытия.

Кроме того, для сложнопрофильных многолезвийных инструментов (сверла, плоские и круговые протяжки, долбяки, червячные фрезы) с покрытием, осажденным при неподвижном положении инструмента относительно потока плазмы, общая работоспособность лимитируется износостойкостью режущих элементов, имеющих наиболее низкокачественные характеристики покрытия (неоптимальная толщина, низкая прочность сцепления с основой, повышенная дефектность). Для обеспечения возможности получения качественных покрытий на всех режущих элементах многолезвийных инструментов необходимы кинематические перемещения многолезвийных инструментов в рабочей камере при нанесении покрытий. Большое значение это имеет при нанесении покрытий на сложнопрофильный многолез­вийный и особенно крупногабаритный инструмент (осевой, зубо­резный инструмент, протяжки и т. д.). Поэтому для получения на рабочих поверхностях инструмента покрытий оптимальной толщины ему необходимо придавать сложные движения непосред­ственно в камере вакуумно-плазменных установок. Кроме того, уже на стадии разработки технологии нанесения покрытия на сложнопрофильный инструмент необходимо прогнозировать его толщину.

Для повышения прочности сцепления по­крытия с инструментальной основой используют технология нанесения покрытий с пере­ходными адгезионными слоями, т.е. между покры­тием и инструментальной основой наносится переходный адгезионный слой, в состав кото­рого входят элементы материалов покрытия и инструментальной основы. Существуют кон­струкции износостойких покрытий с переход­ным адгезионным слоем на основе TIN и (Ti, Zr)N. Для таких комбинаций определены [21] химические составы и оптимальные соотношения толщин переход­ного адгезионного слоя и основного покрытия и технологические режимы нанесения таких покрытий. Переходные слои, имеющие в сво­ем составе элементы покрытия и инструмен­тальной основы, обеспечивают снижение ос­таточных напряжений, повышают прочность сцепления покрытий с инструментальной ос­новой, и в конечном итоге режущий инстру­мент изнашивается гораздо меньше.

Разработанные на сегодня двухслойные и трехслойные покрытия на основе TiN, (Ti, Zr)N, (Ti, Mo)N и (Ti, Al)N позволяют, по сравнению с однослойными покрытиями, нанесенными по традиционной технологии, по­высить период стойкости режущего инстру­мента в 1,6—4,2 раза.

Для инструмента, работающего в ус­ловиях прерывистого резания на ос­нове анализа механизма разрушения покры­тия, предложены принципы конструирования многослойного покрытия. Такое покрытие должно иметь минимум два слоя. Верхний слой, непосредственно контак­тирующий со стружкой, должен отвечать за тепловое состояние режущего клина инстру­мента и обеспечить максимальное снижение контактных температур, минимальную ампли­туду их колебаний за время рабочего и холо­стого ходов. Это позволит снизить интенсив­ность процесса трещинообразования в по­крытии и режущем клине инструмента. Нижний слой, прилегающий к инструменталь­ной основе, должен сдерживать процессы распространения трещин как на границе «по­крытие — инструментальная основа», так и в самом покрытии и иметь высокий уровень сжимающих остаточных напряжений. Например, разра­ботанные на основе этого принципа двухслой­ные покрытия из нитридов и карбонитридов титана позволяют повысить период стойкости твердосплавных пластин при фрезеровании заготовок из сталей 5ХНМ и 12Х18Н10Т в 1,5—3 раза [21].

Для повышения эффективности покрытий, работающих в условиях прерывистого реза­ния, разработаны конструкции и технология нанесения многослойных покрытий с проме­жуточными слоями, предназначенными для повышения трещиностойкости покрытия в це­лом. Промежуточный слой должен иметь по­вышенную трещиностойкость, которая обес­печивается за счет его микрослоистости. Для этого используются покрытия сложного соста­ва, полученные из раздельных катодов и имеющие слоистую структуру, состоящую из от­дельных фаз покрытия и промежуточных сло­ев сложного состава. Кроме того, повышению трещиностойкости такого многослойного по­крытия в целом будут способствовать появле­ние дополнительных границ между отдельны­ми его слоями и высокий уровень сжимающих остаточных напряжений, характерный для по­крытий на основе сложных нитридов. Оценка механических свойств однослойных покрытии с позиций теории разрушения хрупких мате­риалов позволила [21] предложить конструкции трехслойных покрытий, у которых в качестве промежуточного слоя используются сложные нитриды. Для повышения прочности сцепле­ния с инструментальной основой предложены конструкции покрытий с верхним и нижним слоями, полученными в условиях комбиниро­ванного температурного режима конденсации (КТР), и с нижним слоем — на основе карбонитрида титана с повышенными адгезионно-прочностными свойствами. Для разработан­ных трехслойных покрытий характерны более высокая трещиностойкость, микротвердость и прочность сцепления с инструментальной ос­новой. Количество циклов до образования трещин и разрушения таких покрытий увели­чивается в 1,5 раза по сравнению с двухслой­ным покрытием, а период стойкости режущего инструмента - в 1,6 раза по сравнению с двухслойным и в 3 раза — по сравнению с по­крытием TiN.

Комбинированная упрочняющая обработка заключается в нанесении износостойкого по­крытия и последующей его импульсной лазер­ной обработке. Последняя позволяет сущест­венно изменить структурные параметры и ме­ханические свойства покрытия — уменьшить остаточные напряжения, повысить микро­твердость и прочность сцепления покрытия с инструментальной основой, а для режущего инструмента из быстрорежущей стали — до­полнительно увеличить сопротивляемость ре­жущего клина упругопластическим деформа­циям в процессе резания.

Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями после, например, им­пульсной лазерной обработки повышается, например, при токарной обработке заготовок из сталей ЗОХГСА и 12Х18Н10Т в 1,5—2,5 раза — в зависимости от состава покрытия и условий резания [21].

 

11.1. Контрольные вопросы:

 

1. В чем заключаются основные особенности износа режущих инструментов с износостойкими покрытиями?

2. Как влияет состав и конструкция покрытия на работоспособность инструмента?

3. Как влияет метод и способ нанесения покрытия на работоспособность режущих инструментов с покрытиями?