Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Технологические принципы нанесения износостойких вакуумно-плазменных покрытий на режущий инструмент из керамики

Технологические принципы нанесения износостойких вакуумно-плазменных покрытий на режущий инструмент из керамики

В статье рассматриваются технологические принципы повышения работоспособности пластин из оксидно-карбидной керамики ВОК-71 и нитридной керамики Силинит-Р путем нанесения износостойких покрытий Ti+(Ti1-xAlx)N методом конденсации вещества в вакууме с ионной бомбардировкой. Предлагаются составы износостойких покрытий для различных условий эксплуатации керамики, приводятся сведения о влиянии покрытий на ее прочностные характеристики и интенсивность изнашивания при точении и фрезеровании закаленной стали ШХ15.

Различные виды керамики для режущих пластин (оксидно-карбидная, нитридная и другие) в настоящее время являются наиболее эффективными инструментальными материалами для высокоскоростной обработки закаленных сталей без использования смазочно-охлаждающих жидкостей. Эти материалы имеют невысокую стоимость исходного сырья и характеризуются высокой твердостью и теплостойкостью и низкой склонностью к адгезионному взаимодействию с конструкционными сталями. Однако, несмотря на эти преимущества, широкое применение инструмента, оснащенного пластинами из режущей керамики, до сих пор ограничено вследствие его низкой надежности, являющейся следствием скалывания и выкрашивания режущей части инструмента в различные периоды его работы. Главными причинами этого являются низкая прочность и теплопроводность керамики, различные дефекты объема и поверхностного слоя (микротрещины, поры), а также растягивающие напряжения, образующиеся при шлифовании пластин.

Одним из способов решения проблемы повышения надежности режущего инструмента из керамики при обработке закаленных сталей является улучшение качества его поверхностного слоя, достигаемое нанесением износостойких покрытий.

Рассмотрим влияние вакуумно-плазменных покрытий на работоспособность оксидно-карбидной керамики ВОК-71 и нитридной керамики Силинит-Р при точении и фрезеровании закаленной стали ШХ 15 (62...65 HRC).

Известно, что для инструментов из быстрорежущей стали и твердых сплавов главный эффект от нанесения износостойких покрытий заключается в повышении микротвердости контактных площадок инструмента и снижении их адгезионного взаимодействия с обрабатываемым материалом [1]. Для режущих пластин из керамики эффекты от нанесения покрытий будут другими.

В зависимости от состава износостойких покрытий их роль весьма разнообразна.

  1. Обеспечивается "эффект залечивания" дефектов (микротрещин, пор и т.д.), формируемых в поверхностном слое керамических пластин на различных этапах их производства (главным образом, при алмазном шлифовании).
  2. Замедляется распространение фронта трещин, идущих из глубины режущей пластины к поверхности при применении многослойного покрытия с чередующимися слоями переменной твердости.
  3. Повышается сопротивляемость контактных площадок режущих пластин абразивному изнашиванию в процессе резания.
  4. Уменьшается термическое воздействие на режущую кромку в результате улучшения условий теплоотвода, достигаемого нанесением покрытий с большим коэффициентом теплопроводности.
  5. Увеличивается длина контакта стружки с передней поверхностью, что ведет к снижению значений напряжений, действующих в процессе резания на режущую кромку со стороны передней поверхности.
  6. Увеличивается радиус округления режущих кромок, что оказывает положительное влияние на их прочность.

За рубежом на режущие пластины из инструментальной керамики и сверхтвердых материалов покрытия наносят методами химического осаждения вещества из парогазовой фазы [2], недостатками которых являются токсичность используемых реагентов, невозможность получения сложноком-позиционных покрытий и сложность управления свойствами формируемых покрытий. Этих недостатков в значительной степени лишены методы физического осаждения покрытий в вакууме.

Подавляющее большинство отечественных исследований, посвященных разработке технологий и оборудования для нанесения покрытий методом физического осаждения в вакууме, выполнены для инструментов из твердых сплавов и быстрорежущих сталей. Вопросы нанесения покрытий на режущие пластины из керамики нашли отражение в работах М.А. Шатерина, А.С. Верещаки, И.А. Сенчило, Ю.Г. Кабалдина, С.Н. Григорьева. Однако примеров технологий нанесения покрытий в вакууме на режущие пластины из керамики в промышленных масштабах на сегодняшний день нет. Связано это в первую очередь с тем, что керамика обладает очень низкой электропроводностью, вследствие чего невозможно применение традиционных методов для электропроводных быстрорежущих сталей и твердых сплавов, например, широко используемого метода конденсации покрытий в вакууме с ионной бомбардировкой, основанного на подаче на обрабатываемые инструменты высокого отрицательного напряжения [3].

Процесс осаждения покрытий этим методом на электропроводящие подложки условно можно разделить на два этапа — ионную очистку поверхности и непосредственно конденсацию покрытия. На этапе очистки при подаче отрицательного напряжения (900...1000 В) происходит ускорение ионного потока и осуществляется интенсивное распыление поверхности. Именно на стадии очистки дефектный слой, сформированный при алмазном шлифовании пластин, может быть полностью или частично удален. На этапе конденсации покрытия при подаче отрицательного напряжения (150...250 В) также происходит ускорение ионного потока, но поверхность не распыляется, как это происходит в случае очистки, а активируется, в результате чего резко возрастает подвижность атомов и увеличивается прочность адгезионной связи осаждаемого покрытия с субстратом.

Поскольку режущая керамика обладает очень низкой электропроводностью, подать на нее отрицательное напряжение нельзя. В результате этого распыления поверхности керамических пластин при очистке практически не происходит, а на этапе конденсации формируются покрытия низкой плотности и с невысокой прочностью адгезионной связи, которые могут частично разрушаться и отслаиваться уже в первые минуты работы инструмента.

Для осаждения высококачественных покрытий на режущие пластины из различных марок керамики в МГТУ "Станкин" был разработан новый способ, реализация которого осуществляется без подачи на керамические подложки отрицательного напряжения.

На рис. 1 изображена принципиальная схема процесса нанесения покрытий, в соответствии с которой обрабатываемые пластины 1 совершают планетарное вращение внутри вакуумной камеры 2 на поворотном устройстве 3. Очистка подложек осуществляется с помощью источников 4, генерирующих пучки ускоренных частиц.

Рис. 1. Принципиальная схема нанесения покрытий на керамику
методом конденсации в вакууме с ионной бомбардировкой

Исследования показали, что для распыления поверхности пластин из оксидно-карбидной и нитридной керамики в процессе очистки можно использовать молекулы различных газов (например, аргона) с энергией 0,5...0,8 эВ. В процессе конденсации покрытия происходит испарение катодов 5 электрической дугой в вакууме в присутствии реактивного газа. Одновременно с этим происходит активация поверхности и бомбардировка осаждаемого покрытия молекулами аргона с энергией 50...150 эВ. Было установлено, что на однородность распределения покрытий по поверхностям пластин большое влияние оказывает угол а, определяющий расстояние между осями источников металлической плазмы — с его уменьшением однородность распределения возрастает. Таким образом, предложенная схема позволяет исключить в процессе нанесения покрытий подачу отрицательного напряжения на керамические пластины.

Выбор конструкции и состава износостойких покрытий для режущих пластин из керамики является неоднозначной задачей. На основе имеющегося опыта эксплуатации инструментов с покрытиями в качестве оптимальной композиции износостойкого покрытия была предложена простая композиция из двух слоев — адгезионного и износостойкого. Адгезионный слой, расположенный между керамической подложкой и износостойким слоем, будет служить преградой для распространения трещин двух типов: идущих из глубины керамической пластины в направлении поверхности и тех, которые могут образовываться на поверхности покрытия и прорастать в инструментальную основу. Этот слой должен обладать кристаллохимической совместимостью с керамической подложкой и наружным износостойким слоем, иметь высокую теплопроводность и пластичность. Износостойкий слой должен обладать высокими микротвердостью и термостойкостью и иметь минимальное сродство с обрабатываемым материалом. Использование указанной конструкции позволяет в наибольшей степени реализовать описанные выше эффекты от нанесения покрытий.

Проведенная оценка свойств различных соединений и их стоимости позволили для режущих пластин из оксидно-карбидной и нитридной керамики, применяемых для обработки закаленных сталей типа ШХ 15 (62...65 HRC), предложить следующий состав износостойкого покрытия: в качестве адгезионного слоя использовать слой на основе чистого титана толщиной 1...1,5 мкм, а в качестве износостойкого слоя — двухкомпонентный нитрид (Ti1-xAlx)N толщиной 4...7 мкм.

Важным достоинством нитрида (Ti1-xAlx)N является высокая термостойкость и образование при повышенных температурах резания на его поверхности плотного аморфного слоя Al2O3, который препятствует окислению и взаимодействию с обрабатываемым материалом. Варьируя содержанием алюминия (0 ≤ х ≤0,9), можно получить широкий диапазон твердости покрытия. Естественно, что в зависимости от характера процесса резания (прерывистое или непрерывное) оптимальное содержание алюминия в покрытии будет различным.

С целью оптимизации состава покрытия (Ti1-xAlx)N были изготовлены сплавные катоды с различным содержанием Ti и Al. Различные по составу покрытия (Ti1-xAlx)N наносились на пластины из различной керамики квадратной формы (12,7x4,76 мм). Покрытия наносили при силе тока дуги на катоде 80 А, давлении азота 0,3 Па в течение 1 ч. Пластины из оксидно-карбидной керамики с различными покрытиями (Ti1-xAlx)N испытывались при продольном точении, а из нитридной керамики — при торцовом фрезеровании стали ШХ15. Для сокращения расхода инструментального материала и упрощения экспериментов при фрезеровании обработка велась одним зубом. Проведенные эксперименты хоть и приближенно, но позволили установить оптимальное содержание элементов в покрытии для различных условий эксплуатации пластин.

На рис. 2 представлены результаты исследования влияния содержания Al и Ti в сплавном катоде на интенсивность изнашивания керамических пластин. Видно, что минимальную интенсивность изнашивания при точении имеет покрытие (Ti0.4Al0.6)N, а при фрезеровании (Ti0.7Al0.3)N. Кривая зависимости микротвердости покрытия (Ti1-xAlx)N от содержания алюминия в катоде некоторым образом объясняет полученные результаты (рис. 3). В зависимости от содержания алюминия микротвердость покрытий находится в диапазоне от 10 до 42 ГПа. Она растет с увеличением содержания алюминия, достигая максимума при ~65% Al, а после 75% Al резко снижается, значительно ниже уровня твердости покрытия TiN (до 10 ГПа).

Рис.2. Влияние содержания Al в катоде на интенсивность изнашивания пластин
из оксидно-карбидной керамики (ВОК-71) при точении (1) (v = 200 м/мин; S = 0,25 мм/об; t = 0,5 мм)
и нитридной керамики Силинит-Р при фрезеровании (2) (v = 200 м/мин; S = 0,25 мм/зуб; t = 0,5 мм; z = 1)
закаленной стали ШХ15 (62...65 HRC)

Известно, что с повышением микротвердости покрытия наблюдается большое искажение кристаллической решетки, резко повышается его хрупкость и, соответственно, снижается трещиностойкость. В результате этого резко снижается сопротивление покрытия микро- и макроразрушениям в условиях действия циклических нагрузок при фрезеровании. При 0,2 ≤ х ≤ 0,35 покрытие еще не теряет свою пластичность, но при этом уровень его твердости уже достаточно высок (28...31 ГПа), поэтому оно и показывает наибольшую работоспособность при фрезеровании.

В случае эксплуатации инструмента в условиях непрерывного резания, когда инструмент подвергается большим термическим нагрузкам со стороны задней поверхности, наиболее важными являются такие свойства покрытий, как микротвердость и термостойкость. В этих условиях максимальную работоспособность показывает покрытие с содержанием алюминия х = 0,6, когда его микротвердость составляет 37 ГПа.В дальнейшем при увеличении содержания алюминия (при х > 0,65) наблюдается резкое увеличение интенсивности изнашивания инструмента (см. рис. 2), что объясняется сильным снижением микротвердости покрытия.

Рис. 3. Зависимость микротвердости покрытия(Ti1-xAlx)N от содержания алюминия в катоде

Известно, что вследствие неизменности свойств покрытия в пределах одного слоя на границе раздела с инструментальной основой происходит резкое изменение физико-механических свойств, приводящее к образованию в покрытии высоких остаточных напряжений и, как следствие, к снижению прочности адгезионной связи покрытия с основой, которая необходима для успешной эксплуатации режущего инструмента с покрытием. Для того чтобы обеспечить плавное изменение свойств по глубине слоя (Ti1-xAlx)N, было предложено в процессе его осаждения линейно уменьшать давление реакционного газа от ~0,3 до ~0,01 Па. В результате этого обеспечивается плавное снижение твердости по глубине покрытия с ~38 до ~30 ГПа (для покрытия (Ti0.4Al0.6)N) и с ~32 до ~26 ГПа (для покрытия (Ti0.7Al0.3)N).

Как показали результаты проведенных исследований, нанесение покрытий Ti+(Ti1-xAlx)N в соответствии с разработанными технологическими принципами позволяет значительно увеличить прочность на изгиб образцов из оксидно-карбидной и нитридной керамики. В табл. 1 представлены результаты измерения прочности по схеме четырехточечного изгиба керамических образцов прямоугольной формы (50x5x4) до и после нанесения покрытий. Среднее значение прочности рассчитывали по результатам испытаний 20 образцов каждой группы.

1. Значение прочности при изгибе керамических пластин до и после нанесения покрытий

КерамикаНаличие покрытия Прочность при изгибе
средняяmax min
Оксидно-карбидная Без покрытия 539580 502
Ti+(Ti0.4Al0.6)N 622641 594
Нитридная Без покрытия 680718 639
Ti+(Ti0.7Al0.3)N 759789 725

Из представленных данных видно, что средняя прочность на изгиб образцов из оксидно-карбидной керамики после нанесения покрытий увеличилась - на 15 %, а для нитридной керамики этот показатель увеличился - на 12 %. Кроме того, было установлено, что нанесение покрытий несколько снижает разброс значений прочности.

В дальнейшем исследовалось влияние нанесенного покрытия на работоспособность инструмента, оснащенного режущими пластинами из керамики при продольном точении и торцовом симметричном фрезеровании заготовок из стали ШХ15 (62...65 HRC).

При точении использовались квадратные пластины с механическим креплением из оксидно-карбидной керамики ВОК-71 до и после нанесения покрытия Ti+(Ti0.4Al0.6)N со следующей геометрией: γ = -10°; α = 10°; α1 = 10°; φ = 45°; φ1 = 45°. Режимы резания варьировали в широких пределах: v = 50...350м/мин; S = 0,08...0,5 мм/об; t = 0,2...3 мм. Эксперименты проводили на токарном станке с ЧПУ мод. VDF180 С фирмы BOEH-RINGER (Германия).

При торцовом фрезеровании использовались сборные фрезы различного диаметра с механическим креплением квадратных пластин из нитридной керамики Силинит-Р до и после нанесения покрытия Ti+(Ti0.7Al0.3)N со следующей геометрией: γ = -10°; α = 10°. Режимы резания варьировали в широких пределах: v = 50...350 м/мин; S = 0,08...0,5 мм/зуб; t = 0,2...3 мм; ширина фрезерования B = 50... 100 мм; диаметр фрезы D = 80...200 мм; число зубьев z = 1 ...20. Испытания проводили на продольно-фрезерном станке Profimat 23 фирмы Weinig (Германия).

Проведенные эксперименты показали, что использование керамических пластин с износостойкими покрытиями увеличивает стойкость инструмента в 1,5—2,7 раза во всем исследуемом диапазоне режимов резания. Фрагменты экспериментальных данных приведены на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость износа по задней поверхности h3от времени работы пластин τ
из оксидно-карбидной керамики при точении (а) и из нитридной керамики при фрезеровании (б)
закаленной стали ШХ15 (режимы обработки: точении - v = 250 м/мин; S = 0,2 мм/об; t = 1 мм;
фрезерование - v = 250 м/мин; D = 200 мм; z = 10; S = 0,2 мм/зуб; B = 60 мм; t = 1 мм;)

Еще одним важным результатом нанесения покрытий является то, что покрытия позволили существенно снизить процент отказов керамических пластин при фрезеровании, вызванных хрупким разрушением — сколами и выкрашиванием.

Для рациональной эксплуатации инструментов, оснащенных пластинами из керамики с износостойкими покрытиями необходимо знать зависимости стойкости пластины от режимов резания. С этой целью на основе математической обработки экспериментальных данных были получены следующие расчетные зависимости для определения стойкости пластин с покрытиями при точении и фрезеровании закаленных сталей типа ШХ15 в широком диапазоне режимов резания. (За критерий отказа керамических пластин был принят износ по задней поверхности h3 = 0,3 мм.)

При продольном точениии пластины из керамики ВОК-71 стойкость пластины

где v - скорость резания (м/мин); S - подача (мм/об); t - глубина резания (мм).

При торцовом симметричном фрезеровании пластинами из керамики Силинит-Р:

где v - скорость резания (м/мин); D - диаметр фрезы (мм); S - подача (мм/зуб); t - глубина резания (мм); B - ширина фрезирования (мм); z; - число зубьев.

В результате комплекса проведенных научно-исследовательских работ были разработаны технологические принципы нанесения износостойких покрытий на инструмент, оснащенный пластинами из оксидно-карбидной и нитридной керамики. Нанесение покрытий предложенных составов позволило повысить прочность керамических пластин и увеличить их стойкость в 1,5—2,8раза при точении и фрезеровании закаленных сталей, а также повысить надежность режущего инструмента.

Литература

  1. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер В.С. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. М: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001. 448 с.
  2. A. Gatto, L. Iuliano. Advanced coated ceramic tools for machining superalloys. 1995 Р. 591—605.
  3. Григорьев С.Н., Боровский В.Г. Разработка технологии нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент на основе минералокерамики и кубического нитрида бора //Обработка металлов. 2003. № 3 (20). С. 5-6.

    М.А.Волосова
    Справочник. Инженерный журнал №8, 2005, стр. 46-47

Статьи партнеров