Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Повышение стойкости инструмента с помощью многокомпонентных наноструктурных тонкопленочных покрытий

Повышение стойкости инструмента с помощью многокомпонентных наноструктурных тонкопленочных покрытий

Стойкость инструмента - режущего и деформирующего - повышают различными способами [1], каждый из которых занимает свою "экологическую нишу" благодаря присущим этому способу преимуществам и недостаткам. Широкое применение тонкопленочных упрочняющих покрытий обусловлено большим выбором материалов покрытий, относительной простотой их получения, температурным диапазоном нанесения покрытий, не влияющим на исходные прочностные свойства материала инструмента, толщиной покрытий, практически не изменяющей исходных размеров инструмента.
В последнее время наметились две тенденции повышения стойкости инструмента с помощью тонкопленочных покрытий: нанесение многослойных покрытий с заданным градиентом механических и электрофизических свойств и нанесение однослойных многокомпонентных наноструктурных покрытий.
Предметом данных исследований являются нано-структурные тонкопленочные покрытия на основе композиций титана с такими материалами, как Si, В, Сг, Са, А1, С, полученные магнетронным распылением специальной мишени, изготовленной методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [2, 3]. Такие покрытия характеризуются сверхвысокой твердостью (более 40 ГПа) благодаря очень малому размеру зерен (2...5 нм) и прочным энергиям связи на границах раздела, а также относительно низким коэффициентом трения скольжения и высокой износостойкостью. Результаты исследований наноструктурных тонкопленочных покрытий, выполненных с помощью самого современного аналитического оборудования, приведены на рис. 1-3.

Рис. 1. Топография поверхности пленок Ti-B-N и Ti-Si-N, полученная с помощью атомно-силового микроскопа

Рис. 2. Зависимости между нагрузкой F на наноиндентор и глубиной его внедрения
h в пленку TiBN, полученные при нагрузках: 1 -250, 2-500, 3-1000 мкН

Рис. 3. Зависимость коэффициента сухого трения f двух образцов 1 и 2 с покрытием TiCaCNO при
фрикционном воздействии шарика диаметром 3 мм из металла WC+6%Co


Нанесение износостойкого покрытия на режущий инструмент, в качестве которого были выбраны сверла, проводилось на вакуумной установке периодического действия (рис. 4), снабженной автономным источником ионов (АИИ) и магнетронной распылительной системой (МРС). Газовая система, обеспечивающая подачу рабочих газов аргона и азота, включала в себя регуляторы расхода газа РРГ-3 и РРГ-9 с коммутацией на выходе потока газовой смеси в соответствующие магистрали АИИ или МРС. Управление потоками напускаемых в вакуумную камеру газов осуществлялось программным путем, для чего на входы РРГ подавалось напряжение с цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) универсальной платы ввода-вывода (ACL-8112HG), а сигналы с измерителей потока РРГ вводились через аналого-цифровые преобразователи (АЦП) той же платы. Плата ввода-вывода устанавливалась на шине ISA персонального компьютера на базе микропроцессора Intel 486.

Рис. 4. Схема (а) и внешний вид (б) вакуумной установки для нанесения тонких пленок:
1 - магистраль нагнетания рабочего газа; 2 - ионно-лучевой источник; 3 - держатель образца; 4 - муфта; 5 - привод; 6, 15 — вводы в вакуум; 7- вакуумная камера; 8- мишень; 9- магнетрон; 10-регулятор давления газа; 11 - баллоны с рабочими газами; 12-регулятор расхода газа; 13, 19 - датчики давления; 14 - привод заслонки; 16 - заслонка; 17 — катод-нейтрализатор; 18 - привод подъема вакуумной камеры; 20, 23- клапаны; 21, 24- вакуумные насосы; 25- блок питания магнетрона; 26- система охлаждения вакуумной камеры

Построенная таким образом газовая система обеспечивала адаптивное программное управление потоками рабочего газа и контролем технологической среды методом "по давлению". Программно-аппаратная часть системы выдерживала заданное соотношение газовых потоков в результате подачи расчетных напряжений на управляющие входы соответствующих PРГ системы.
Вакуумная система установки обеспечивала откачку камеры до минимального давления 103 Па. Нанесение покрытий производилось как на тестовые образцы, так и на сверла диаметром 4 мм. Особенностью данного технологического процесса является то, что после операций ультразвуковой очистки и последующей сушки образцов, непосредственно перед нанесением покрытия эти образцы подвергались ионно-лучевой обработке в течение 10...60 мин с помощью АИИ "Радикал" для финишной очистки и активации поверхности.
Магнетронное распыление мишени проводилось при давлении рабочего газа 1..2 Па, ионно-лучевая обработка - при 0,1 Па. Покрытия наносились магнет-ронным методом при постоянном токе и напряжении на магнетроне 500 В, плотности тока разряда 0,08 А/см2, времени осаждения - 10...60 мин. Процентное содержание азота в общем потоке рабочего газа варьировалось в диапазоне 10...22 %. Толщина пленки измерялась с помощью интерференционного микроскопа МИИ-4 и составляла 400...700 нм.
В статье представлены результаты экспериментов по повышению стойкости сверл диаметром 4 мм, купленных в хозяйственном магазине по различной цене. В качестве материала покрытия была выбрана композиция TiBSiN.
Проверка износостойкости сверл без покрытия и с покрытием производилась на вертикально-сверлильном станке. В качестве материала для сверления были выбраны СтЗ и сталь 12Х18Н1 ОТ. Сверление производилось при постоянной нагрузке 60 кгс, которая прикладывалась к рычагу станка. Во время сверления все испытываемые сверла смазывались маслом и охлаждались водой. Эксперимент прекращался только тогда, когда сверло под действием вышеуказанной нагрузки не могло просверлить отверстие. Результаты эксперимента представлены в табл 1.

Таблица 1 . Режимы эксперимента и результаты исследования стойкости сверл диаметром 4 мм

Параметры

Страна-производитель (цена)

Китай (10 руб.)

Китай (10 руб.)

Китай (10 руб.)

Китая (10 руб.)

Россия (12 руб.)

Россия (12 руб.)

Россия (25 руб.)

Россия (25 руб.)

Длительность обра­ботки АИИ, мин

 

40

 

40

 

40

 

60

Расстояние до ми­шени, мм

 

250

 

250

 

50

 

250

Покрытие

Нет

TiSiBN

Нет

TiSiBN

Нет

TiSiBN

Нет

TiSiBN

Время осаждения, мин

 

40

 

60

 

10

 

60

Толщина покрытия, нм

 

400

 

500

 

550

 

700

Материал заготовки

СтЗ

СтЗ

12Х18Н10Т

12Х18Н10Т

12X1SH10T

12Х18Н10Т

12Х18Н10Т

12XI8H10T

Число обработан­ных отверстий, шт.

43

>250

2

40

15

60

20

70

При помощи микроскопа МИ-8 было проведено изучение режущих кромок сверл. На образцах без покрытия наблюдался значительный износ режущей кромки, сколы, низкая стойкость при работе по коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т. Режущая кромка сверла с покрытием после сверления 250 отверстий в заготовке из СтЗ практически не износилась, а после сверления 70 отверстий в заготовке из 12Х18Н10Т - сохранила свою форму, хотя и заметно пострадала от налипания металла.

Рис. 5. Фотографии стружки (а) и изношенных сверл: с покрытием (б) ш без покрытия (в, г)


При проведении экспериментов было замечено, что у сверл без покрытия витки стружки имеют гораздо меньший диаметр и шаг, чем у сверл с нанесенной на них пленкой (рис. 5). Из этого можно сделать вывод, что образцы с пленкой из TiBSiN имеют низкий коэффициент трения по обрабатываемому материалу.
Таким образом, по результатам испытаний было выявлено повышение стойкости сверл с покрытием TiBSiN более чем в 6 раз на СтЗ и от 3 до 4 раз - на стали 12Х18Н1 ОТ (сверла которые вообще не работают по данной стали, не учитывались).

Литература

1. Поляк М.С. Технология упрочнения. В 2-х т. М.: Машиностроение, 1995. Т. 1. 832 с, Т. 2. 688 с.
2. Ю.С. Карабасова. Новые материалы. М.: МИСИС. 2002. 736 с.
3. Штанский Д.В., Левашов Е.А., Шевейко А.Н. Оптимизация параметров вакуумного реакционного осаждения сверхтвердых Ti-Si-B-N покрытий //Электронные, ионные и плазменные технологии: Справочник. Инженерный журнал, 2000, № 1. С. 17-20.

Ю.В. ПАНФИЛОВ, И.В. ГЛАДЫШЕВ, Е.А. ЛЕВАШОВ, Д.В. ШТАНСКИЙ, А.Н. ШЕВЕЙКО

Справочник, инженерный журнал
№4, 2004г., с. 40-42

Статьи партнеров