С износостойким покрытием

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. 11.1), 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.

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;

– максимальное отличие кристаллохимических структур покрытия и инструментального материала.

Свойства покрытия и инструментального материала должны быть достаточно 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 условия 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 единичных связей пары «покрытие – инструментальный материал». При этом материалы 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 инструмен­тального 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 нанесения покрытия и техно­логических условий формирования исходных свойств инструмен­тального материала. В частности, сильное влияние на 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 [17]:

реакция образования карбидов

МеГ + Н₂ +С _n Н _m ® МеС + НГ + Н₂,

реакция образования нитридов

МеГ + Н₂ + N₂ ® MeN + НГ + Н₂,

реакция образования оксидов

МеГ + Н₂ + CO₂ ® МеO _m + НГ + СО,

реакция образования боридов

МеГ + Н₂ + ВГ® Me _n B _m,

где Me – металл; Г – галоген; m, n – 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 сплава (углерод, кислород и др.) образуются устойчивые хрупкие соединения типа (W₃Co₃)C (h–фаза), прочность сцепления покрытия и твердого сплава снижается. Реакция образования «h–фазы» имеет следующий вид:

(х–2) Ti + х WC+ у Со – (x–2)TiC + (W₃Co₃)C.

На свойства и параметры покрытия (микротвердость, толщи­на, фазовый состав, структура) оказывает влияние концентрация реагентов парогазовой смеси, давление смеси и скорость ее по­дачи, исходная чистота компонентов смеси. Особенно вредно присутствие активных реагентов типа O₂, H₂O, 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 смеси предъявляют особо жесткие требования.

В СНГ используют несколько разновидностей метода для на­несения покрытия на многогранные твердосплавные пластины (МТП).

Метод ГТ (газофазовое титанирование) разработан во Все­российском институте твердых сплавов (ВНИИТС) и используется для нанесения износостойких покрытий (TiС, TiCN, TiC–TiCN–TiN и др.) на специальных установках карусельного типа [3].

В СНГ также используются лицензионные технологии нанесе­ния покрытий фирмы «Sandvik Coromant» (Швеция) (технология GC) и «Plansee» (Австрия) (технология GМ). В настоящее время про­мышленностью выпускается несколько разновидностей твердосплав­ных пластин с износостойким покрытием, полученным по этим тех­нологиям, области применения которых представлены в табл. 12.2.

Таблица 12.2