Реферат: Физические свойства вакуумно-плазменных покрытий для режущего инструмента
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФИЗИЧЕСКИЙФАКУЛЬТЕТКАФЕДРА ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛАФизические свойства вакуумно-плазменных покрытий для режущего инструментаКурсовая работа студента 3-го курса
Эйзнера А.Б.
Минск 2001 г.
Аннотация.
В процессе работы режущего инструмента, основнаянагрузка приходится на его рабочую поверхность, что, в конечном счете, приводитк частичному или полному износу последней. Существует ряд технологическихспособов обработки рабочей поверхности, направленных на ее упрочнение, наиболеепрогрессивным и эффективным из которых является метод нанесения на поверхностьинструмента покрытий из твердых соединений.
В работе рассматриваются основные способынанесения износостойких покрытий на поверхность режущего инструмента;производится обзор соединений металлов с кислородом, азотом и углеродом, какосновы для защитных покрытий; приводятся некоторые характеристики наиболеечасто используемых в производстве покрытий.
Оглавление.
1. Введение… 3
2. Трение иизнос твердых тел … 3
3 Технологические способы обработки поверхности… 4
4. Основныетребования к покрытиям… 6…
5. Способынанесения износостойких покрытий… 6…
6. Классификация износостойких покрытий для режущего инструмента… 11
6.1. Основныеположения… 11…
6.2. Одноэлементные,однослойные покрытия… 12…
6.2.1 Соединения,используемые в качестве покрытий… 12…
6.2.2 Характеристикиодноэлементных, однослойных покрытий 13
6.3. Многослойные покрытия… 17…
7. Вывод… 22
1.Введение.
Одним и наиболее важным показателем эксплуатациирежущего инструмента является его работоспособность, определяющая состояние,при котором режущий инструмент выполняет свою работу, имея износ рабочихповерхностей, меньший критического значения. Обеспечить максимизацию
работоспособности, значит повысить рост производительноститруда, сэкономить дорогостоящий материал, энергию и трудовые ресурсы.
Работоспособность режущего инструмента можетбыть повышена благодаря такому изменению поверхностных свойствинструментального материала, при котором контактная поверхность инструментабудет наиболее эффективно сопротивляться абразивному, адгезионному,коррозийно-окислительному и др. видам износа как при комнатной, так и приповышенной температурах. Так же инструментальный материал должен обладатьдостаточным запасом прочности при сжатии, изгибе, приложении ударных нагрузок.
Большинство инструментальных материалов обладаютлишь несколькими из указанных выше свойств, что резко снижает их областьприменения. Например, инструменты из быстрорежущей стали обладают относительноневысокой теплостойкостью, средней твердостью, небольшими прочностью при изгибеи ударной вязкостью; керамические режущие инструменты имеют повышеннуютвердость, износостойкость и высокую теплопроводность, но им присущи низкаяударная вязкость и повышенная хрупкость.
2. Трение и изноствердых тел.
Внешнее трение твердых тел имеет двойственную(молекулярно-механическую или адгезионно-деформационную) природу.Контактирование твердых тел вследствие волнистости и шероховатости ихповерхности происходит в отдельных зонах фактического касания. Суммарнаяплоскость этих зон – площадь касания, в пределах нагрузок невелика, этоприводит к возникновению в зонах касания твердых тел значительных напряжений,нередко приводящих к появлению поверхностных пластических деформаций.
Деформирование поверхностных слоев подвижныхспряжений, рабочих органов машин и оборудования приводит к их частичному илиполному изнашиванию.
Из большего количества видов износа можновыделить основные:
- адсорбционно-коррозионно-усталостный (АКУ), абразивный
- молекулярный (адгезионный) аэро- и гидроабразивный,коррозийный
АКУ износ широко распространен в подвижныхспряжениях, хороше защищенных от проникновения в них абразивы. Объясняется этотем, что при скольжении, внедрившиеся микронеровности более жесткого теладеформируют поверхностные слои менее жесткого. При этом деформация самихмикронеровностей значительно меньше и ей можно пренебречь, считаямикронеровности абсолютно жесткими. Деформирование поверхностных слоев менеежесткого тела приводит к уменьшению концентрации легирующих элементов вотдельных микрообъемах деформируемых слоев. Это служит очагом зарождения полостечения, которые возникают в более напряженных областях поверхностных слоев. Вполосах течения при деформировании передвигаются дислокации, что повышает ихконцентрацию у границ пересечения. Взаимодействие дислокаций в этих местахприводит к разрыхлению в них материала и образованию микропор.
В дальнейшем микропоры сливаясь образуют микротрещины, которые объединяются в макротрещины. Макротрещины по мере силовыхвоздействий твердых тел в процессе трения увеличиваются в размерах иобъединяются, приводя к появлению части износа.
При абразивном износе микронеровностиболее жесткого тела, частицы окружающей среды или продукты износа внедряются вповерхность менее жесткого из взаимодействующих тел, что приводит к его износу.Если внедряются микронеровности более жесткого тела в поверхность менеежесткого, то деформируя последнюю, они могут вызвать появление стружки. Приизносе под действием частиц окружающей среды или продуктов износа происходитвнедрение микронеровностей в менее жесткое тело, а затем износ этими частицамиповерхности более жесткого тела.
Аэро - и гидроизнос происходит врезультате воздействия на поверхность материала твердых частиц, движущихся впотоках газа или жидкости.
Молекулярный (адгезионный) износ –разрушение связей, возникающих в результате межатомных и межмолекулярныхвзаимодействий.
Эти связи происходят между пленками, покрывающимиповерхность твердого тела. Износ происходит, когда фрикционная связь на границераздела оказывается прочнее, чем нижележащий материал.
Коррозийный износ распространен в средах (в смазочной и рабочей) содержащих коррозийно-активные вещества [1].
3. Технологические способыобработки поверхности.
Существует три основные способа обработкирабочей поверхности инструмента, направленных на повышение ее прочности.
Термообработка. Высокую поверхностнуюпрочность обеспечивает изотермическая закалка, а также термомеханическаяобработка поверхности детали.
При поверхностной закалке (газопламенная закалка)и химико-термической обработке (цементование) упрочнение обусловлено главнымобразом возникновением в поверхностном слое остаточных сжимающих напряженийвследствие образования структур большего удельного объема (нитриды икарбонитриды при нитроцементации и азотировании), чем структуры основногометалла. Расширение поверхностного слоя тормозит сердцевина, сохраняющаяисходную перлитную структуру, вследствие чего в поверхностном слое возникаютдвухслойные напряжения сжатия. В нижних слоях развиваются реактивныерастягивающие напряжения, имеющие малое значение, из-за незначительностисечения термически обработанного слоя сравнительно с сечением сердцевины.Создание предварительных напряжений сжатия снижает среднее напряжение вобласти сжатия, тем самым повышается предел выносливости.
Газовая закалка повышает предел выносливости посравнению с исходной конструкцией из необработанной стали в 1.85 раза.
Наиболее эффективным способом обработки являетсяазотирование, которое практически полностью устраняет внешних концентраторовнапряжений. Азотирование не вызывает изменения формы и размеров детали.Азотированный слой обладает повышенной коррозие - и термостойкостью. Твердостьи упрочняющий эффект сохраняются вплоть до температур
500-600 оС.
Оптимальные толщины слоя уплотнения прицементации 0.4-0.8 мм, цементовании и азотировании 0.3-0.5 мм, закалке снагревом и газовой закалке 2-4 мм.
Упрочнение поверхности пластическойдеформацией. Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – наклепповерхностного слоя на глубину 0.2-0.8 мм с целью создания в нем остаточногонапряжения сжатия. При наклепе поверхностный слой расплющивается. Удлинениюповерхностного слоя препятствует сила сцепления с нижележащими слоями металла.Вследствие этого в наклепанном слое возникают двухосные напряжения сжатия, а втолще основного металла незначительные реактивные напряжения растяжения.Складываясь с рабочими напряжениями растяжения, остаточные напряжения сжатияуменьшают, а при достаточно больших значениях компенсируют первые. Возникающиепри наклепе множественные искажения структуры (деформация зерна, местныепластические сдвиги) эффективно тормозят развитие усталостных повреждений ирасширяют область существования нераспостроняющихся трещин, увеличение которыхобуславливает существование разрушающих напряжений.
Эффективен наклеп в напряженном состоянии,представляющий собой сочетание упрочнения перегрузкой с наклепом. При этом способедеталь нагружают нагрузкой того же напряжения, что и рабочая, вызывая вматериале упругие или упругопластические деформации. После снятия нагрузки вповерхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия.
Наклепный слой чувствителен к нагреву. Притемпературах 400-500 оС действие наклепа полностью исчезает, из-занаступающего при этих температурах процесса рекристаллизации, устраняющегокристаллоструктурные изменения, внесенные наклепом.
Основные разновидности упрочнение поверхностипластической деформацией:
- дробеструйная обработка
- обкатывание
- чеканка
- алмазное выглаживание
Дробеструйная обработка заключается в наклепеповерхностного слоя потоком закаленных шариков (диаметр 0.5-1.5 мм),создаваемым центробежными дробеметками. Качество поверхности при данномпроцессе немного снижается.
Плоские поверхности упрочняют обкатываниемшариками, установленными во вращающемся патроне. Заготовке придают движениепродольной и поперечной подачи, при правильно выбранном режиме обкатывания,остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое составляют 600-1000 МПа.Глубина уплотнения слоя 0.2-0.5 мм. Данный процесс улучшает качествоповерхности детали. Поверхность вращения упрочняют обкатыванием стальными закаленнымироликами. Силу прижатия ролика выбирают с таким ращетом, чтобы создать вповерхностном слое напряжения, превышающие предел текучести материала вусловиях всестороннего сжатия ( для стали 5000-6000 МПа).
Чеканку производят бойками со сферическойрабочей поверхностью, приводимыми в колебания пневматическими устройствами.Частота колебаний и скорость вращения заготовки должны быть согласованы такимобразом, чтобы наклепанные участки перекрывали друг друга.
Алмазное выглаживание заключается в обработкепредварительно шлифованной и полированной поверхности закругленными алмазнымирезцами (радиус 2-3 мм). Поверхностный слой уплотняется до глубины 0.3-0.5 мм. Качество поверхности значительно улучшается.
Нанесение на рабочую поверхность инструментапокрытий из твердых соединений. Данный способ является наиболее эффективными прогрессирующим из выше упомянутых способов, позволяет резко повыситьэксплутационные качества режущего инструмента тем самым, расширяя егообласть применения [1].
4. Основные требования кпокрытиям.
К покрытиям в зависимости от материала и условий эксплуатации режущего инструмента, предъявляются своего родатехнологические требования, которые можно подразделить на четыре категории.
Во-первых, это условие, учитывающее условияработы инструмента. Покрытие должно обладать: высокой твердостью, превышающейтвердость материала инструмента; устойчивостью к высокотемпературной коррозии;отсутствие схватываемости с обрабатываемым материалом во всем диапазонетемператур резания; устойчивостью к разрушению при колебании температур инапряжений; постоянством механических свойств, даже при температурах, близких ктемпературам разрушения инструментального материала.
Во-вторых, это необходимость совместимостисвойств материала покрытия со свойствами материала инструмента: сродствокристаллохимического строения материала покрытия и инструмента; оптимальноесоотношение материалов покрытия и инструмента по модулям упругости,коэффициентам Пуассона и линейного расширения, теплопроводности; малаясклонность к образованию хрупких вторичных соединений.
В-третьих, это требования к технологическимособенностям метода нанесения покрытий: создание в процессе нанесения покрытияна инструмент условий, не оказывающих существенного влияния на физические икристаллохимические свойства материала инструмента.
В-четвертых, требования, относящиеся к покрытиямв целом: покрытие должно быть сплошным и иметь постоянную плотность по всемуобъему, тем самым, защищая материал инструмента от соприкосновения собрабатываемым
материалом и газовой средой; стабильность свойств покрытияво времени; малость колебаний толщины покрытия в процессе работы, позволяющаяне изменять рельеф материала инструмента [5-11].
5. Способы нанесения износостойкихпокрытий.
Процесс нанесения покрытия на поверхностьрежущего инструмента определяется как свойствами материала покрытия иинструмента, так и спецификой протекания процессов формирования покрытия.Исходя из выше сказанного, все методы нанесения покрытий можно разделить на двегруппы.
В первую группу входят методы химического осажденияпокрытий из парогазовой фазы (ХОП) [11]. Формирование покрытия осуществляетсявследствие химических реакций между парогазовыми смесями, состоящих изсоединения металлоносителя и носителя второго компонента, являющегося какгазотранспортером, так и восстановителем. В процесс формирования покрытиявносят вклад и структура поверхности инструментального материала, игетеродиффузионные реакции между конденсатом и материалом инструмента. Этотметод применяется при нанесении покрытий на основе карбидов, нитридов,карбонитридов титана, оксида алюминия. Метод ХОП реализуется при температурах1000-1100 оС, этот факт исключает возможность нанесения покрытийданным методом на инструменты из быстрорежущих сталей, которые были подвергнутытермической обработке [6].
Существует ряд недостатков метода ХОП:
- взрывоопасность и токсичность водорода, как газа-носителя
- наличие большего количества непрореагировавших компонентов
- сложность технологического оборудования
- внутреннее напряжение в слое покрытия
- невозможность нанесения покрытия на инструмент, имеющий острые режущиекромки
Вторая группа – это методы физического осажденияпокрытий (ФОП) [6]. К этим методам относятся: метод получения тонких пленокраспылением материалов ионной бомбардировкой (РИБ); метод генерации потока
/> /> /> /> /> /> <td/> /> />осаждаемого вещества термическим испарением (МТИ).
Суть метод РИБ состоит в следующем:
1) Ввакууме, под действием ионизирующего излучения заданной энергии, осуществляетсябомбардировка материала, формирующего покрытие (мишень), что приводит кчастичной или полной его ионизации. В качестве данного материала могутвыступать металлы (включая тугоплавкие), сплавы (в том числе имногокомпонентные), полупроводники.
2) Происходитионное распыление, то есть ионы материала падают на рабочую поверхностьрежущего инструмента (подложку), тем самым, производя процесс формированияпокрытия.
Данный метод реализуется при давлениях 1-10 Па инапряжениях 0,3-
5 кВ.
Возможны два метода ионного распыления: ионно-лучевоеи плазмоионное распыление. При ионно-лучевом распылении выбивание атомов мишенипроисходит под действием бомбардировки ее поверхности ионными лучамиопределенной энергии (Рис.1). Тут не требуется подача на мишень отрицательногопотенциала.
При плазменном распылении мишень из распыляемогоматериала находится в сильно ионизированной плазме под отрицательнымпотенциалом и играет роль катода. Положительные ионы под действиемэлектрического поля вытягиваются и бомбардируют мишень, вызывая ее распыление.
Существуют следующие разновидности плазменногораспыления: катодное, магнетронное, высокочастотное и в несамостоятельномгазовом разряде.
Катодное распыление. Принципиальнаясхема установки приведена на рис. 2. Метод осуществляется следующим образом.
Вакуумный объем, содержащий анод и катод,откачивается до давления 10-4 Па, после чего производится напускинертного газа (обычно это Ar при давлении 1-10 Па).Для зажигания тлеющего разряда между катодом и анодом подается высокоенапряжение 1-10 кВ. Положительные ионы инертного газа, источником которогоявляется плазма тлеющего разряда, ускоряются в электрическом поле ибомбардируют катод, вызывая его распыление. Распыленные атомы попадают наподложку и оседают в виде тонкой пленки.
Данный метод распыления может быть осуществлен ипо другой схеме – диодной схеме распыления, отличительным признаком которойявляется то, что при распылении катод является как источником распыляемогоматериала, так и источником электронов, поддерживающих разряд, анод такжепринимает участие в создании заряда, одновременно являясьподложкодержателем.
Преимущества метода катодного распыления вследующем:
- безынерционность процесса
- низкие температуры процесса
-
/> /> /> /> /> /> <td/> /> />возможность получения пленок тугоплавких металлов и сплавов (в том числе имногокомпонентных)
- сохранение стехиометрического исходного материала при напылении
- возможность получения равномерных по толщине пленок
Метод имеет недостатки:
- низкая скорость осаждения (0.3-1 нм/с)
- загрязнение пленок рабочим газом вследствие проведения процесса привысоких давлениях
- низкая степень ионизации осаждаемого вещества
Магнетронное распыление. Являетсяразновидностью метода нанесения тонких пленок на основе тлеющего разряда.Магнетронные системы ионного распыления относятся к системам распылениядиодного типа, в которых атомы распыляемого материала удаляются с поверхностимишени при ее бомбардировке ионами рабочего газа (обычно Ar),образующимися в плазме аномального тлеющего разряда.
В магнетронной распылительной системе катод(мишень) помещается в скрещенное электрическое (между катодом и анодом) имагнитное поле, создаваемое магнитной системой. Магнитное поле позволяетлокализовать плазму аномального тлеющего разряда непосредственно у мишени.
Суть метода состоит в следующем (Рис.3), всистему анод-катод подается постоянный электрический ток (2-5 А), которыйприводит к возникновению между мишенью (отрицательный потенциал) и анодом(положительный или нулевой потенциал) неоднородного электрического поля ивозбуждению аномального тлеющего разряда. Электроны, выбитые из катода поддействием ионной бомбардировки, подвергаются воздействию магнитного поля,возвращающего их на катод, с одной стороны, с другой – поверхностью мишени,отталкивающей электроны. Это приводит к тому, что электроны совершают сложноециклическое движение у поверхности катода. При движении электроны многократносталкиваются с атомами аргона, обеспечивая высокую степень ионизации, чтоприводит к возрастанию интенсивности ионной бомбардировки мишени, аследовательно и к возрастанию скорости распыления.
Преимущества метода:
- высокая скорость распыления при низких рабочих напряжениях (600-800 В) ипри небольших давлениях рабочего газа (5×10-1-10 Па)
- отсутствие перегрева подложки
- малая степень загрязнения пленок
- возможность получения равномерных по толщине пленок на большей площадиподложек
Высокочастотное распыление. Данный методприменяется в том случае, если материалом мишени является диэлектрик. Дляраспыления диэлектрика необходимо периодически нейтрализовать положительныйзаряд на нем. Для этого к металлической пластине, расположенной непосредственноза распыляемой диэлектрической мишенью, прикладывают напряжение с частотой 1-20МГц.
Плазменное распыление в несамостоятельномразряде. В распылительных системах данного типа горение газового разрядаподдерживается дополнительным источником (магнитное поле, высокочастотноеполе).
Преимущества метод РИБ:
- сохранение стехиометрического состава пленок при распылениимногокомпонентных сплавов
- высокий коэффициент использования распыляемого вещества
- возможность получения равномерных по толщине покрытий на подложкебольшей площади
- высокая адгезия пленок
Сущность МТИ состоит в том, что вспециальных испарителях вещество нагревают до температуры, при которойначинается заметный процесс испарения.
Все испарители отличаются между собой взависимости от способа нагрева испаряемого вещества: резистивного,индукционного, электродугового и др.
Резистивное испарение. Тут тепловуюэнергию для нагрева вещества получают за счет выделения теплоты при прохождениитока через нагреватель.
Электродуговое испарение. Нагрев катодас последующей эмиссией электронов, осуществляется по средствам зажигания ввакуумной камере электродуги (Рис.4). Особенностью данного метода является то,что электрический ток, создающий дугу, подается в цепь, содержащую катод(отрицательный потенциал) и корпус вакуумной камеры (положительный потенциал).Электрическая дуга производит локальный разогрев поверхности катода, врезультате чего последняя, переходя в жидкостную фазу, и в виде капельраспространяется по объему вакуумной камеры. Капельная фаза приводит кнеоднородности химического состава покрытия. Для уменьшения брызгового эффекта производится тщательная предварительная дегазация катода.
Преимущества метода нанесения тонких пленоквакуумным электродуговым методом:
- возможность регулирования скорости нанесения покрытия путем изменениясилы тока дуги
- возможность управлять составом покрытия, используя одновременнонесколько катодов или один многокомпонентный катод
- высокая адгезия покрытий
- возможность получения тонких пленок металлов, вводя в камеру реакционныйгаз
Основные преимущества МТИ в следующем:
- возможность нанесения пленок металлов (в том числе тугоплавких),сплавов, полупроводниковых соединений и диэлектрических пленок
- простота реализации
- высокая скорость испарения вещества и возможность регулирования ее вшироких пределах за счет изменения подводимой к испарению мощности
- возможность получения покрытий, практически свободных от загрязнения
Методы ФОП, несмотря на некоторые присущие имнедостатки (например, невозможность осаждения покрытий в больших углублениях исложность нагрева подложки в вакууме), в целом наиболее перспективны длянанесения износостойких покрытий на режущие инструменты. Связано это,во-первых, с возможностью точного регулирования технологических процессов и ихполной автоматизации. Во-вторых, низкая температура процесса позволяетобрабатывать любые инструментальные материалы и при этом достигать высокойадгезии покрытия с основой. В-третьих, высокая скорость формирования покрытия.И, наконец, метод ФОП безопасен для окружающей среды и экономически выгоден [6].
6. Классификация износостойкихпокрытий для режущего инструмента.
6.1. Основныеположения.
Все элементы Периодической системыподразделяются на группы электронных аналогов, атомы которых имеют аналогичныестроения электронных оболочек:
- s-элементы, имеющие полностью заполненныевнешние s-оболочки
- d- и f-элементы, имеющиенезаполненные d- и f-оболочки
- sp-элементы, имеющие валентные s,p-электроны (неметаллы)
Данной классификация поясняет деление всехтугоплавких соединений, применяемых в качестве покрытий, на три группы:
- металлоподобные тугоплавкие соединения, образуемые d-и f-переходными металлами (бориды, карбиды, нитриды)
- металлоподобные тугоплавкие соединения, образуемые между собой в основномd- и f-переходными металлами, атакже вырожденными металлами из sp-групп электронныханалогов
- неметаллические тугоплавкие соединения, образуемые взаимным сочетаниемнеметаллов (оксиды)
Наиболее широко в качестве износостойкихпокрытий применяются соединения тугоплавких d-переходныхметаллов IV-VI Периодическойсистемы элементов с кислородом, углеродом и азотом [5]. Это связано сособенностями их кристаллохимического строения:
- Во-первых, эти металлы имеют недостаток электронов на внутренних s, p и dорбиталях, и это приводит к тому, что они с достаточной легкостью могутприобретать электроны из любого источника, которым может служить междоузельныеатомы углерода, азота и кислорода.
- Во-вторых, большинство переходных металлов имеют достаточно большиеатомные радиусы и при образовании соединений с атомами C,N и O могутподчинятся правилу Хэгга, согласно которому отношение радиуса атома неметалла крадиусу атома металла меньше критического значения 0.59. Для соединенийметаллов IV группы (Ti,Zr,Hf)достаточно точно выдерживается правило Хэгга, что приводит к образованиюпростых структур, в которых превалирует связь металл-металл, а атомы C,H,O можнорассматривать как вставленные в решетку атомов металла.
- В-третьих, большинство переходных металлов имеют широкиеобласти гомогенности, что позволяет в зависимости от содержаниякислорода, азота и углерода достаточно сильно изменять физико-механическиесвойства их карбидов, нитридов и оксидов.
- В-четвертых, переходные металлы и некоторые их соединения, в первуюочередь соединения с простой кубической структурой типа NaCl(ZrC,ZrN,TiN,VC,TaC), отличаются очень высокимитемпературами плавления.
Соединения металлов IV-VI групп с кислородом, углеродом иазотом можно рассматривать и как наиболее устойчивый (в термодинамическомотношении) материал для покрытий, способный противостоять твердо- и жидкофазнымдиффузионным реакциям, коррозии и окислению при высоких температурах. Нижебудет показано, что свойства соединений тугоплавких металлов с О,N и С при обычных и повышенных температурах сильно зависят отмногих факторов: состава (стехиометрии), наличия примесей, микроструктуры итекстуры, пористости и т.д.
6.2. Одноэлементные, однослойные покрытия.
6.2.1. Соединения, используемые в качествепокрытий.
Карбиды. Карбиды обладают рядомпротиворечивых свойств, что осложняет детальное изучение их физической природы.В частности, строение монокарбидов с кубической решеткой соответствуетструктуре типа NaCl, вместе с тем электропроводностькарбидов сравнима с электропроводностью металлов. Высокая твердость карбидовпроявляется за счет ковалентной связи атома углерода с атомом метала.
Наибольшая склонность к образованиюэнергетически стабильных конфигураций sp3 проявляютсяу карбидов металлов IV группы (Ti, Zr, Hf ).Это обусловлено большей донорской способностью этих металлов (особенно Ti) при относительно высоком содержании углерода в карбиде(до 20%). Стабильные конфигурации карбидов атомов металлов IVгруппы объясняется уменьшением общего числа нелокализованных электронов sp-переходов, смещения равновесия вправо и уменьшения общегочисла нелокализованных электронов: sp2 + p « sp3.Поэтому карбиды обладают повышенной жесткостью кристаллической решетки,определяющей их высокую твердость, теплостойкость и хрупкость [5].
При переходе к карбидам Vгруппы донорская способность металлов этой группы снижается, что приводит кснижению статистического веса устойчивости sp3-конфигурации карбидов и соответственно уменьшает соответственно твердость этих карбидов.Область их гомогенности сужается, в составе наряду с карбидами МС образуютсянизшие карбиды М2С с гексагональной структурой. Так например, твердостьTiC равна 31.7 ГПа, а твердость TaC– 17.4 ГПа, Nb2C – 21Гпа [5].
У карбидов тугоплавких металлов VI группы (Cr, Mo,W) содержание углерода падает до 6%, снижается числообобществленных электронов, поэтому статический вес атомов наиболее стабильнойэлектронной конфигурации sp3 оказываетсяочень низким, а свойства карбидов определяются главным образом свойствами d5-конфигурации. Связи d5 более гибкие, чем sp3, допускаютупругий прогиб решетки, более свободное движение в ней дислокаций. Поэтомукарбиды металлов VI группы имеют меньшую твердость ихрупкость (CrC, MoC, WC), чем твердость и хрупкость карбидов IVгруппы (TiC, ZrC, HfC). Так твердость CrC равна 29.5ГПа, а твердость ZrC – 29.5 ГПа [5]. Карбидытугоплавких металлов V группы занимают промежуточноеположение.
У карбидов VI группыимеются узкие области гомогенности. Образование карбидов таких металлов связанос сильными искажениями кристаллической решетки металла (Cr)либо с нарушением порядка упаковки (Mo, W). В следствии этого, у карбидов VIмогут возникать и прямые связи C-C(MoC, CrC) [5].
Нитриды. По своим свойствам и строениюнитриды весьма похожи на карбиды, однако, между ними существуют определенныеразличия. Главное различие состоит в сильном снижении связи металл – неметаллиз-за уменьшения ковалентности азота (трехвалентный) по сравнению свалентностью углерода (четырехвалентный).
Атом азота в нитридах, имеющий в изолированномсостоянии конфигурацию валентных электронов s2p6, может быть как донором, так и акцепторомэлектронов. Акцепторная способность азота преимущественно проявляется приобразовании нитридов металла IV-VIгрупп, у которых преобладает ковалентно-металлическая ионная связь. Донорскиеспособности тугоплавких металлов IV группы (особенно Ti) в результате присоединения трех атомов азота приводят кобразованию энергетически очень устойчивых конфигураций s2p6: s2p3 + 3p « s2p6 [5].
Вследствие резкого снижения донорской ироста акцепторной способности металлов VI группы (Cr, Mo, W)для этой группы может проявляться и донорская способность азота (s2p3 ® sp4 ® sp3 + p ) с образованием избыточных (не участвующих в химическойсвязи) электронов, которые снижают температуру плавления этих нитридов.
Хотя особенность конфигурационного строениянитридов переходных металлов (s2p6) свидетельствует о их высокой коррозионнойстойкости (снижение склонности к твердо- и жидкофазным диффузионным реакциям),необходимо отметить меньшую термодинамическую устойчивость нитридов, посравнению с карбидами. Практически это означает, что нитриды имеют более низкуюпо сравнению с карбидами сопротивляемость к высокотемпературному окислению,коррозии. Причем, при переходе нитридов металлов IVгруппы (TiN, ZrN, HfN) к нитридам металлов V (VN, NbN, TaN)и особенно VI группы (CrN, MoN, WN) сопротивляемость квысокотемпературному окислению снижается. Вместе с тем нитриды имеют и своипреимущества. Они более пластичны и менее хрупки, чем карбиды. Так например,предел прочности при изгибе TiN равен240 МПа, а TiC – 15 МПа [5].
Оксиды. Оксиды обладают твердостью,сравнимой с твердостью нитридов. Так например, твердость TiNравна 20.5 ГПа, а твердость Al2O3 – 19.9 ГПа. Между тем, по коррозийным свойствамоксиды превосходят нитриды. Хрупкость оксидов сравнима с хрупкостью карбидов.
6.2.2. Характеристикиодноэлементных, однослойных покрытий.
Характеристики однослойных покрытий,создаваемых на основе вышеуказанных соединений, зависят не только отфизико-химических свойств данных соединений, но также и от ряда другихфакторов, к которым относятся: однородность покрытия, его пористость, толщина,метод нанесения на рабочую поверхность. Последний из факторов играет наиболеезначимую роль, определяя предшествующие ему факторы (табл.1,2) [3].
Таблица 1
Твердость некоторых карбидовых покрытий,полученных различными способами.
Соединение Метод
Микротвердость, кгс/мм2
TiC
МТИ
2500-3000
3000-5500
РИБ 2400
ХОП
3350-3600
4500
Cr7C3
МТИ 2200 ХОП 1900-2200
Таблица 2
Твердость некоторых нитридных покрытий,полученных осаждением из паровой и газовой фазы.
Соединение МетодМикротвердость, кгс/мм2
TiN МТИ 1900-2800 РИБ1400-4000
1900
ХОП 1900-2400 CrN РИБ 3500
Если рассматривать МТИ, то микроструктурапокрытий, получаемых этим методом (Al2O3, TiC, ZrC и др.) непосредственно зависит от температуры конденсации.При температуре менее 600-700 оС структура состоит из мелкозернистыхволокон диаметром ~ 10 нм, разделенныхтонкой сеткой пор шириной ~ 1 нм. При700-1000 оС величина зерна достигает в диаметре 1 мкм [3].
Твердость покрытия зависит от парциальногодавления реактивного газа, температуры подложки и потенциала на подложке. Такнапример, твердость TiC достигает 3000 кгс/мм2при парциальном давлении реактивного газа ~(1.1¸1.3)×10-3 мм рт. ст., температуре подложки 650 оСи потенциале на подложке 0¸50 В.
/> <td/> />На рис.5 показано влияние парциального давления азота и потенциалана подложке на микротвердость покрытий из TiN и CrN, полученных осаждением вразряде с полым катодом [3].
Если рассматривать метод РИБ, то в [3]отмечается, что в зависимости от параметров процесса при магнетронномраспылении покрытие TiNx (xменяется от 1 до 0.6) может иметь микротвердость от 1400 до 4000 кгс/мм2(при температуре подложки 300-330 оС).
Зависимость микротвердости TiNот парциального давления азота так же, как и при МТИ, имеет явно выраженныймаксимум (рис.6).
/>
Давление реакционного газа непосредственноевлияние оказывает и на микротвердость однослойных покрытий типа MNx и MC в процессе их формирования. Из Рис.7 видно, что сувеличением давления реакционного газа, микротвердость покрытий возрастает, таккак поступление большего объема реактивного газа способствует более полномупротеканию плазмохимических реакций. Но при дальнейшем увеличении давлениямикротвердость покрытия снижается, что обусловлено образованием покрытий,имеющих в своем составе повышенную концентрацию химических элементовреакционного газа, приводящих к дефектности структуры и снижению микротвердости[6].
На рис.8 показано влияние давления аргона, впроцессе ионного осаждения, на однородность однослойного покрытия (соотношениемежду толщиной покрытия на передней и задней поверхностях подложки) [3].
Зависимость свойств покрытия от условий егополучения можно продемонстрировать и на наибольшее распространенном в качестве
однослойного карбидного покрытия — TiC.На рис.9 приведены данные по
/> /> /> /> /> /> <td/> /> />износостойкости хромистой стали и покрытий TiC(покрытие получено вакуумно-дуговым методом), нанесенных при давлениях С2Н2– 0.17 Па (TiC 1) и 0.27 Па (TiC2) при напряжении на подложке 200 В [9].
Величина К есть удельная скорость изнашиванияпокрытия,
определяется выражением:
∆V
K = ———— (1)
F × ∆L
В (1), ∆V есть приращение объемного износа покрытия на пути трения ∆L,а F- нагрузка. В [9] установлена зависимость удельнойскорости изнашевания от потенциала на подложке (рис.10). Из рисунка видно, чтопри напряжении 150 В величина К имеет минимум. Это, по-видимому, определяетсяплотностью покрытия и его адгезионной прочностью.
/> /> /> /> /> /> <td/> /> />/> /> /> /> /> /> <td/> /> />
Микротвердость покрытия непосредственно определяется иконцентрацией реактивного газа, учавствующего в процессе его формирования. Такна рис.11 показана зависимость микротвердости покрытий TiNx от расхода азота при магнетронном распылении, при величинеполезной мощности равной 2 кВт [4].
Изменение расход азота влияет не только намикроструктуру осаждаемых пленок TiNx, но так же и на другие свойства пленок, например, на ихудельное сопротивление Rs (рис.12), велечинаполезной мощности равна 3 кВт. Из рисунка видно, что величина Rx пленок TiNx увеличивается при увеличении расхода азота подобно микротвердости. Максимальноезначение удельного сопротивления пленок TiNx приблизительно в пять раз больше, чем для пленок титана [4].
В табл.3 приведены характеристики различных видоводноэлементных покрытий. Из таблицы видно, что карбидные покрытия по своей сутинаиболее твердые и жаростойкие, обладают высокой адгезией с материаломинструмента.
Нитридные покрытия более пластичны и менее хрупкие, чемкарбидные. Наименее твердыми и наиболее хрупкими из покрытий являются оксиды,но по своим коррозионным свойствам они превосходят карбидные и нитридныепокрытия.
Таблица3
Физические свойства различных представителейодноэлементных износостойких покрытий.
Свойства Материал покрытия TiC TiNAl2O3
Точка плавления, оС
Плотность, кг/м3
Микротвердость, Мпа
Модуль упругости, Гпа
Коэффициент линейного расширения, град-1
Вязкость разрушения, МПа×м1/2
3140
4930
32000
313.7
7.4×10-6
2.2
2930
5210
21600
250.28
9.4×10-6
3.4
2015
3970
21000
361.29
8.3×10-6
---
6.3.Многослойные покрытия.
Непосредственная классификация многослойныхпокрытий, наносимых на инструментальный материал, приведена в табл.4.
Таблица 4
Классификация многослойных покрытий для режущегоинструмента.
Многослойные Одноэлементные Многоэлементные Многокомпонентные Композиционные
На основе
Соединения одного
Тугоплавкого металла
Пример: TiC, TiN
На основе соединения
двух или более тугоплавких металлов
Пример: (Ti-Cr)N
На основе смесей двух или более соединений одного металла
Пример: TiCN
На основе смесей двух или более соединений, двух или более металлов
Пример:TiC-Al2O3-TiN
С учетом двойственной природы покрытия,как технологической промежуточной среды между инструментальным и обрабатываемымматериалами, использование одного из тугоплавких соединений в качестве покрытияне всегда удолетворяет комплексу требованей к покрытию (пар.4). Поэтому на практике, при производстве режущего инструмента спокрытием все большее применение находят многослойно-композиционные покрытия спеременными свойствами и химическим составом. Кроме того, они способны хорошесопротивлятся хрупкому разрушению в условиях развития трещин или при сильныхпластических деформациях режущей части. Многослойные покрытия рекомендуетсянаносить на весьма хрупкие и кристаллохимически несовместимые синструментальным материалом системы, обладающие наибольшей термодинамическойустойчевостью среди всех известных соединений. К таким системам можно отнестинекоторые 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. Этисоединения должны входить в состав многослойно-композиционных покрытий вкачестве барьерных слоев, которые могли бы эффективно сдерживать диффузионныепроцессы, служить своеобразным термоизолирующим слоем, снижать склонностьинструментального материала к коррозии и окислению при высоких температурах.
Значительный интерес в качестве основы покрытийпредставляют двойные и тройные системы карбидов, нитридов, а такжекарбонитридов переходных материалов [5]:
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, твердостьи прочность этих соединений обусловлена большим подобием структур и близкимиразмерами атомов, с чем связано и наличие значительных областей растворимости.Двойные и тройные соединения имеют широкую область растворимости и перспективныпри разработке композиционных покрытий.
Как и для однослойных покрытий, свойствамногослойных покрытий непосредственно зависят от технологических особенностейпроцесса их нанесения на рабочую поверхность режущего инструмента. Вышесказанное можно проиллюстрировать на примере покрытия TiCN,наносимого методом РИБ. Период решетки данного покрытия зависит от соотношениямежду количеством азота и углеводородной смеси в реакционном газе. Из рис.13видно, что период решетки максимален и равен 4.325 Å, когда реактивныйгаз содержит только углеводородную смесь, и минимальный период – 4.261 Å,когда реактивный газ содержит только азот [2].
/> /> /> /> /> /> <td/> /> />На рис.14 приведена зависимость микротвердостипокрытия TiCN от концентрации азота в газовой смеси,напускаемого в рабочую камеру при конденсации. Здесь же приведены результатыизмерения коэффициента трения покрытия в паре со сталью 45 всреде СО (нагрузка 750 Н, время испытаний 1 час) [2]. Из рисункавидно, что повышение твердости покрытия соответствует увеличению коэффициентатрения, что свидетельствует о большем вкладе в коэффициент трения егомеханической составляющей.
На примере износостойких покрытий на основе карбонитридатитана, легированного цирконием, алюминием и кремнием, можно показать, каквлияет изменение состава углеродосодержащей газовой смеси, применяемой впроцессе их нанесения, на структурные параметры покрытий ( период акристаллической решетки; ширину βIII рентгеновских линий; текстуру J111/J200; остаточные макронапряжения σо) и на микротвердость Нм, а следовательно, и на ружущую способностьинструмента.
На основе результатов структурных исследованийустановлено, что изменение состава углеродсодержащей газовой смеси (повышениев ней содержания А ацетилена С2Н2) приводит к увеличениюпериуда а, ширины βIII и существенносказывается на текстуре покрытия. Увеличение ширины βIII свидетельствует о повышенииуровня микродеформации кристаллической решетки, что характеризуется изменениеммикронапряжений σо и микротвердости Нм покрытий(Табл.4) [7].
Таблица 4
Структурные параметры имикротвердость Нм покрытия TiCN.
А, % 15 25 35 50 60 70 80 а, нм 0.4276 0.4280 0.4286 0.4296 0.4303 0.4311 0.4319 0.4328βIII, градус
0.5 0.5 0.64 0.78 1.55 1.70 1.85 2.0J111/J200
100 43 35 16 0.9 0.8 0.8 0.7σо, ГПа
-3.0 -3.25 -3.51 -3.9 -1.5 -0.9 -1.05 -1.2Нм, ГПа
31 38 44.5 48 45 28 28.5 31В работе [7] исследуется влияние состава покрытия и газовой смеси на режущие свойства пластин. Это влияние оценивалосьпо интенсивности износа I, определяемой соотношением:
h
I = —— (2)
L
В (2) величина h – износпо задней поверхности после 10 мин. работы резца, мм; L– путь резания, соответствующий данному износу. Результаты исследованийприведены на рис.15.
/>
На практике часто используются двухслойныеструктуры, состоящие из промежуточного слоя карбидов, нитридов, карбонитридовметаллов IV-VI групп, AlN и SiO2 (длякерамических инструментов) и поверхностного слоя Al2O3, обеспечивающего достаточную защиту откоррозии. Толщина подслоя в них изменяется в пределах от 0.1 до 10 мкм, анаружного слоя – от 1 до 10 мкм. Такие двухслойные покрытия, как правило,наносятся на нитридокремневые керамические покрытия; кроме того, ониобеспечивают превосходную износостойкость и ударную вязкость твердых сплавов. Вчастности, представляет интерес двухслойное износостойкое покрытие накерамическом инструменте (основа – Si3N4). Оно состоит из внутреннего слоя толщиной0.5-20 мкм, представляющего собой смесь Al2O3 с AlN, и внешнего слоя Al2O3 толщиной1-10 мкм. Такое покрытие может также наносится на Al2O3, карбиды и нитриды кремния [11].
Al2O3 в качестве внешнего слоя снижает усилия резанияи благодаря устойчивости при высоких температурах обеспечивает наилучшуюстойкость инструмента при обработке стали и чугуна с большими скоростями. Из-занизкой теплопроводности Al2O3его применяют в качестве промежуточного слоя. Слой Al2O3 толщиной 0.2-0.3 мкм наносят также дляобразования диффузионного барьера перед осаждением TiN и TiC, что благоприятно влияет настойкость инструмента [3].
В многослойных покрытиях используют TiC (нижний слой) (так как данное соединение обеспечиваетвысокую адгезию с материалом инструмента), TiN (верхнийслой) ( обладающее меньшей адгезией и менее хрупкое, чем TiC)и переходное состояние Ti(C,N) – в качестве промежуточного слоя. Покрытия на основетитана повышают стойкость твердосплавных режущих пластин в 4-6 раз, на 50-100%увеличивают скорость резания [3].
При резании со значительными скоростями иударными нагрузками эффективно многослойное покрытие WC/TiC + TiC + Ti(C,N).
При высоких скоростях резания с большейтепловой нагрузкой эффективно покрытие TiC + TiB2.
Как правило, толщина покрытий на твердосплавноминструменте составляет 4- 10 мкм (иногда до 15 мкм), а дальних слоев (взависимости от их количества) – от 1 до 3-4 мкм. Большая толщина в связи схрупкостью соединения может снизить суммарную вязкость материала.
Существенно повысить стабильностькристаллохимических свойств материала можно путем применения покрытий на основесистемы (Ti,Cr)N, которая обладает высокой сопротивляемостью к окислению исохраняет свои характеристики при более высоких температурах, чем покрытия из TiC т TiN.Такая стабилизация свойств обусловлена большей прочностью связи атомов вкристаллической решетке, которая формируется в процессе замещения атомов азотаатомами хрома, имеющими меньший размер.
Особый интерес вызывает композиционное покрытиедвойного нитрида (Ti,Al)N. Это покрытие обладает такой же кубической структурой, каки TiN, но имеет меньший период решетки, что отражаетсяна его твердости (в 0.6 раза больше, чем у TiN).Покрытие (Ti,Al)N стабильно при температуре 710-830 оС, в товремя, как покрытие TiN начинает окислятся при 550 оС.Объясняется это тем, что на поверхности (Ti,Al)N формируется защитный аморфныйслой Al2O3предотвращающий дальнейшее окисление. Следовательно долговечность инструмента спокрытием из (Ti,Al)N значительно превосходит долговечность инструмента снитридотитановым слоем. Например, стойкость сверла из быстрорежущей стали спокрытием из (Ti,Al)N при сверлении отверстия в чугуне и сплаве Al-Si соответственно в 12.3 раза выше, чем у сверла снитридотитановым слоем. Данное покрытие наносят, как правило, методом ФОП налюбые инструментальные материалы [11].
7. Вывод.
Нанесение износостойких покрытий на режущийинструмент является комплексной задачей. Отвечая ряду требований, покрытие вконечном счете должно характеризоваться высокой износостойкостью.Следовательно, оно должно обладать высокими термической стойкостью,механическими свойствами и прочностью сцепления с инструментальной основой.Выбор покрытия осуществляется в зависимости от типа обрабатываемого материала иобласти его применения. Любое покрытие должно обладать максимальной инертностьюк обрабатываемому материалу, поэтому необходимо учитывать тип химической связиматериала покрытия.
Считается, что чем заметнее проявляетсяметаллический тип связи покрытия, тем сильнее оно схватывается с обрабатываемымматериалом. Вот почему карбиды переходных металлов проявляют высокуюадгезионную активность по отношению к различным металлам и сплавам, чемнитриды.
Необходимо отметить то, что применениемногослойных и композиционных покрытий значительно увеличивает возможностьоптимизации их свойств по сравнению с инструментальной основой и обрабатываемымматериалом.
Списоклитературы.
1. ОрловП.И. Основы конструирования. Справочник, методическое пособие. – Москва:Машиностроение, 1983.
2. МацевитыйВ.М., Борушко М.С., Береснев В.М., Романова Л.М., Удовенко Е.С. Структура имеханические свойства вакуумно-плазменных покрытий TiCN// Известия высших учебных заведений. Черная металлургия.– № 3. –1984.
3. ВолинЭ.М. Ионно-плазменные методы получения износостойких покрытий ( Обзорзарубежной литературы за 1979-1983 гг.) // Технология легких сплавов.-№ 10.-1984.
4. Заявка20935 Англия. Механические свойства пленок нитрида титана. Плазменноеосаждение пленок нитрида титана / Мюзил Дж., Вискожид Дж., Баснер Р., УэллерФ. Опубл. 1985.
5. ТретьяковИ.П., Верещака А.С. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. –Москва: Машиностроение, 1986.
6. БелыйА.В., Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К. Структура и методы формированияизносостойких поверхностных слоев. – Москва: Машиностроение, 1991.
7. ТабаковВ.П. Применение покрытий на основе карбонитрида титана для повышениястойкости режущего инструмента // Станки и инструменты.- № 11. -1991.
8. КарповЮ.И., Чижмаков М.Б. Особенности формирования покрытий Ti (N,C) натвердосплавных пластинах // Вестник машиностроения. – № 3. – 1992.
9. Фукс-РабиновичГ.С. Особенности структуры и свойств комбинированных покрытий для режущегоинструмента // Трение и износ. -1994. — 15. -№6. — С.994.
10. Булатов В.П., Гинзбург Б.М.,Козырев Ю.П., Красный В.А., Седаков Е.Б., Кузнецов В.Г. Влияние режимоввакуумно-дугового напыления на износостойкость карбидо-титановых покрытий. -Там же. -С.1009.
11. Гнесин Г.Г., Фоменко С.Н. Износостойкие покрытия на инструментальных материалах (обзор) // Порошковаяметаллургия. – 1996. – № 9-10.- С.17-26.