Технология упрочнения вакуумно-плазменными покрытиями инструмента

95

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Особенности износа режущих инструментов

1.2 Методы повышения стойкости режущего инструмента

1.3 Свойства инструментальных материалов покрытия и некоторые элементы резания

1.4 Применение смазочно-охлаждающих жидкостей

1.5 Классификация методов нанесения покрытия на режущий инструмент

1.6 Общая характеристика технологии конденсации покрытия с ионной бомбардировкой (КИБ)

1.7 Классификация износостойких покрытий, наносимых на режущий инструмент

1.8 Определяющие технологические параметры при катодном распылении

1.9 Выводы Цели и задачи

2. Методическая часть

2.1 Установка ионно-плазменного напыления ННВ-6.6-И1

2.2 Методы контроля качества покрытия

2.3 Свойства материала Т15К6 и стали 40Х

2.4 Свойства обрабатываемого материала 30ХГСА

3. Экспериментальная часть

3.1 Выбор износостойкого покрытия наносимого на инструмент с напайными твёрдосплавными пластинами Т15К6, и его обоснование

3.2 Исследование свойств вакуумно-плазменного покрытия TiN

3.3 Выбор и обоснование оптимальных режимов напыления

3.4 Экспериментальные результаты контроля качества покрытия

3.5 Выводы

4. Технология упрочнения вакуумно-плазменными покрытиями инструмента (фрезы) с напайными твёрдосплавными пластинами методом КИБ

4.1 Разработка технологической оснастки

4.2 Внекамерная очистка режущего инструмента и технологической оснастки перед нанесением покрытия

4.3 Подготовка вакуумной камеры к загрузке инструмента

4.4 Откачка вакуумной камеры

4.5 Ионная очистка и нагрев изделий

4.6 Нанесение покрытия

4.7 Охлаждение изделий и выгрузка

4.8 Контроль качества покрытий

5. Экономическая часть

6. Охрана труда.

7. Охрана окружающей среды

Заключение

Список использованных источников

Введение

Широкое внедрение станков с числовым программным управлением, обрабатывающих центров, автоматических линий и другого дорогостоящего оборудования требует значительной интенсификацией режимов резания и вызывает как следствие, повышенный расход режущего инструмента.

Одним из эффективных средств сокращения расхода инструмента при сокращении высокого уровня производительности металлообработки является применение инструмента с износостойкими покрытиями. Износостойкие покрытия позволяют получить рабочие поверхности инструмента с необходимыми служебными характеристиками, как правило, не изменяя свойств основного инструмента.[6]

В настоящее время известен целый ряд методов нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент, однако в промышленности наиболее широкое применение нашел вакуумно-плазменный метод, который получил название «метод КИБ» (конденсация в условиях ионной бомбардировки).

Основные преимущества данного метода - универсальность, высокая производительность и возможность создания оптимальных условий формирования покрытия с заданными служебными характеристиками.

Метод КИБ, позволяет наносить покрытие нитридов, карбидов и других соединений с металлами тугоплавких элементов как на инструмент, изготовленный из быстрорежущей стали так и на твердосплавный инструмент.

Применение режущих инструментов с износостойкими покрытиями позволяет решить целый комплекс важных износостойких задач:

значительное повышение стойкости и надежности процессов металлорежущего инструмента.

увеличение производительности процессов обработки деталей резанием.

сокращение удельного расхода дорогостоящих инструментальных материалов и остродефицитных элементов (вольфрам, молибден, тантал, кобальт) для из изготовления.

расширение эффективной области использования твердых сплавов.

увеличение качества поверхностного слоя и точности размеров обработанных деталей.

улучшение обрабатываемости сложнолегированных сталей и сплавов.

повышение режущей способности инструментов, изготовления из низколегированных материалов.

Цель: Получение износостойкого покрытия на основе нитрида титана (TiN), на напайной твёрдосплавный инструмент. Используя установку вакуумно-плазменного напыления «ННВ -6.6.- И1»..

Задача: Разработать технологию упрочнения вакуумно-плазменными покрытиями на основе (TiN) фрез с напайными твёрдосплавными пластинами.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 ОСБЕННОСТИ ИЗНОСА РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

В процессе резания изнашиваются контактные площадки на передней поверхности и задней поверхностях режущих инструментов. В зависимости от условий резания и свойств инструментального и обрабатываемого материалов наиболее интенсивно изнашивается либо задняя поверхность инструмента, либо передняя. Иногда величина износа передней и задней поверхностей одновременно достигают предельных значений. При износе инструментов происходит также изменение радиуса округления режущей кромки.

Превалирующий износ задних поверхностей инструментов наблюдаются чаще всего при малой толщине среза, особенно в условиях чистовой обработки малопластичных материалов.

Превалирующий износ передней поверхности имеет место в том случае, когда задняя поверхность предохраняется от износа застойной зоной (наростом), или когда температура передней поверхности значительно превышает температуру задней поверхности. Особенностью износа передней поверхности является образование лунки на некотором расстоянии от режущей кромки. По мере износа ширина и глубина лунки увеличивается, а радиус её кривизны уменьшается. В результате износа на задней поверхности появляется фаски постоянной или переменной ширины. При одновременном износе передней и задней поверхностей инструмента ширина участка передней поверхности постоянно уменьшается с двух сторон.

В настоящее время можно считать установленным, что режущий инструмент подвергается в зависимости от условий резания различными по природе видам износа - адгезионному, абразивному, диффузионному, химическому и др.

В зависимости от условий резания инструмента может подвергаться одновременно действию различных видов износа или доминирующим может являться один вид износа.

Под адгезионным износом инструмента понимают отрыв силами адгезии мельчайших частиц инструментального материала в процессе трения инструмента с обрабатываемым материалом.[2]

Качественное влияние адгезии как активного фактора в механизме износа режущего инструмента может быть оценено общими закономерностями усталостного износа ( при малоциклической усталости).[4] В частности, это проявляется в том, что при заданном инструментальном материале в виде обработки резанием, когда отсутствует влияние обрабатываемого материала и среды на микропрочность при контактной зоны инструмента, интенсивность изнашивания инструмента однозначно определяется прочностью молекулярных связей на срез _n:

I=A₁^t_n ,

где I - интенсивность изнашивания линейная,

А₁ и t - постоянные, характерные для заданного инструментального материала и вида обработки.

В этих условиях с повышением температуры резания _р интенсивность изнашивания инструмента уменьшается в связи с уменьшением _n. Это происходит до оптимальной температуры резания _о, при температуре резания выше _о интенсивность изнашивания инструмента возрастает. При этом данные по износу, полученные при обработке разных материалов, уже не укладываются в общую закономерность, что свидетельствует о самостоятельном влиянии температуры резания и свойств обрабатываемого материала, по разному по-разному ослабляющих при контактную зону инструмента.

Одним из видов износа режущего инструмента является абразивный износ, который в отдельных случаях может иметь доминирующее значение. Механизм абразивного износа состоит в том, что твёрдое включение обрабатываемого материала, внедряясь в контактные поверхности инструмента, царапают эти поверхности, действуют как микроскопические резцы. Наиболее сильно абразивный износ проявляется в том случае, когда твёрдость режущей части инструмента в процессе резания относительно не велика.

Исследования Казаковым показали [3] показали, что при высоких температурах интенсивный износ твердосплавного инструмента может проходить из-за взаимной диффузии инструментального и обрабатываемого материалов.

Высокие температуры, большие пластические деформации и адгезия в зоне контакта при высоких скоростях резания в сильной степени способствуют взаимному диффузионному растворению инструментального и обрабатываемого материалов. В результате перепада концентрации компонентов инструментального и обрабатываемого материалов процесс взаимного растворения протекает непрерывно за период резания, и стружка, и обрабатываемый материал износят материал инструмента.

1.2 МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Повышение стойкости режущего инструмента постоянно являлось одной из самых важных проблем обработки металлов резанием. Развитие получили следующие методы в повышение стойкости инструмента:

усовершенствования инструментальных материалов;

улучшение качества рабочей поверхности инструментов;

усовершенствование конструкции и оптимизация геометрических параметров режущей части инструмента;

подогрев срезаемого слоя;

применение смазывающих - охлаждающих жидкостей.

1.3 СВОЙСТВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОКРЫТИЯ И НЕКОТОРЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ РЕЗАНИЯ

Изменение инструментальной матрицы после нанесения покрытия приводит к существенному увеличению работоспособности. Способность режущего инструмента с высокой надёжностью выполнять свои функции называется работоспособностью.

Работоспособность зависит от многих факторов но, прежде всего сопротивление изнашивание и разрушение, которое происходит в результате взаимодействия с обрабатываемым материалом.

Изнашивание происходит непрерывно и обусловлено несколькими параллелями механизма и образованием адгезионно усталостных и диффузионными процессами. В зависимости от условия резания и характера контактного взаимодействия, непрерывный, прерывистый, стационарный может превалировать один из указанных механизмов, который будет определять работоспособность.

От стабильности процесса резания в свою очередь будет зависеть надёжность резания инструмента. Таким образом, существует взаимосвязь между основными свойствами материала при нанесении покрытия характеристиками протекания контактных процессов при резании и основными эксплуатационными характеристиками режущего инструмента.[7]

Рассмотри рисунок 1.2. между свойствами инструментального материала после нанесения покрытия характеристиками процесса резания и эксплуатационными характеристиками инструментального материала.

95

Рис.1.2

Рассмотрим схему сил действующий на лезвийный инструмент (рис.1.3)

Со стороны срезаемого слоя на переднюю поверхность инструмента действует перпендикулярно к ней сила N_i перемещении стружки по передней поверхности возникает сила трения равная F₁= (N₁), -коэффициент трения по передней поверхности сумма F_n и N_n - это сила приложенная к передней поверхности инструмента равна по значению противоположному по направлению силе стружкообразования Р которая обуславливает процесс резания. Задняя поверхность в стружкообразовании не участвует, на эту поверхность действует нормальная N_1i возникающая в результате упругого внедрения после перемещения по ней лезвии инструмента сила N_1n и относительно перемещения инструмента и обратной поверхности видов контактной силы F_1n равное силе трения по задней поверхности.

F_1n= (N₁)_u - сила трения по задней поверхности. Сила резания Р является геометрической суммой сил N₁, F₁, (N_1u) и (F_1u). Силу резания различают при составляющих P_x,P_y,P_z. Природа сил действующих на переднею и заднюю часть инструмента различна и зависит от различных факторов и не зависящих друг от друга.

Износ оценивается только по задней поверхности. Сила стружкообразования R является функцией геометрической обрабатываемой инструмента физических, химических, механических свойств обрабатываемого материала, режимов резания, свойств смазки и охлаждения. Силы F₁ и N₁ зависит от предела упругости материала и условий трений по задней поверхности. Так же необходимо отметить, что на силу стружкообразования существенно влияет угол сдвига . Энергия затрачиваемая в процессе сдвига расходуется на пластическую деформацию, резания, трения при этом лишь небольшая часть энергии поглощается обрабатываемым материалом, в виде скрытой деформации, а основная часть около 99,5 % переходит в теплоту. [1]

1.4 ПРИМЕНЕНИЕ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ

Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) применяются при обработке резанием почти также давно, как и сам процесс резания.

Практическими целями применения СОЖ обычно является повышение стойкости инструмента, улучшение качества обработанной поверхности, уменьшение качества обработанной поверхности, уменьшение сил резания и удаление стружки.

В основе СОЖ на процесс резания лежат два эффекта: уменьшение сил адгезии и трения на поверхности контакта режущего инструмента с обрабатываемым материалом вследствие образования с адсорбированных пленок химических соединений и уменьшение температуры контакта режущего инструмента с обрабатываемым материалом вследствие уменьшения тепловыделения и улучшения теплоотвода. [2]

Наилучшим охлаждающим действием (из числа применяемых СОЖ) обладают жидкости на водной основе - эмульсии, растворы соды, солей, щелочных металлов и т.д. Жидкости на масляной основе (осерненные минеральные масла и др.) обладающие значительно худшими охлаждающими свойствами, применяются в тех случаях, когда это необходимо для улучшения качества обработанной поверхности (зубонарезание) или по условиям работы станка (автоматы)

Наилучшим смазывающим действием обладают химические активные жидкости, содержащие соединения хлора, фосфора и серы, а также поверхностно-активные жидкости, содержащие жирные кислоты и спирты. Выбор СОЖ необходим производить исходя из конкретных условий резания, принимая во внимания СОЖ на наиболее важные для данной операции характеристики процесса резания.

1.5 КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

Существуют большое число методов получения покрытий на рабочих поверхностях режущих инструментов.

С учётом специализации протекания процессов формирования покрытий, существующие методы можно разделить на три основные группы. К первой группе относятся методы, при которых формирований покрытий осуществляется преимущественно за счёт диффузионных реакции между насыщенными элементами и структурами инструментального материала, Во вторую группу входят методы формирования покрытий по комплексному механизму. Покрытие образуется за счёт реакций между парогазовыми смесями, состоящими из соединения металлоносителя, носителя второго компонента, служащего, как газом-транспортером, так и востоновителем. При этом одновременно в процессе формирования покрытия большой вклад вносит субструкткра поверхности материала и интердиффузионные реакции между конденсатом и материалом инструмента. К третей группе можно отнести методы деформирования покрытия за счёт химических и плазмохимических реакций потока частиц одновременно в объёмах пространства, непосредственно примыкающих к поверхностям инструментального материала.[1]

Каждый из технологических методов нанесения покрытий на режущие инструменты обладают своими преимуществами недостатками. Классификация методов нанесения покрытий на режущий инструменты по характеру деформирования покрытия приведены рисунке 1.4

Более подробно мы рассмотрим третью группу методов, которые относятся методы физического осаждения покрытия (методы ФОП), получившие названия в мировой практике PVD (Physical vapor depjsition).Среди методов ФОП наибольшее распространение получил метод конденсации покрытий из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхностей инструмента (метод КИБ), разработанный Харьковским физико-термическим инструментом АН УССР [1]

Возможность широкого варьирования температурой в зонах нанесения покрытий позволяет использовать вакуумно-плазменные методы в качестве универсальных методов для нанесения покрытий на инструменты из твёрдых сплавов и быстрорежущей стали. Вакуумно-плазменные метода универсальны и с точки зрения возможности получения широкой гаммы монослойных, многослойных и композиционных покрытий на базе нитридных, карбидных, оксидных, боридных соединений тугоплавких металлов IV - VI групп Периодической системы элементов.

Применение вакуумно-плазменных методов значительно расширяет технологические возможности инструментов с покрытиями. Эти методы позволяют более эффективно управлять процессами получения покрытий с заданными свойствами, а также предупреждать образование геометрических дефектов на поверхностных слоях инструментального материала.

Наиболее характерной особенностью покрытий, получаемых вакуумно-плазменным методом, является отсутствие переходной зоны между покрытием и инструментальным материалом. Это обстоятельство является весьма важным, так как создается возможность получения практически без ухудшения его объёмных свойств - прочности и вязкости.

1.6 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИИ КОНДЕНСАЦИИ ПОКРЫТИЯ С ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКОЙ (КИБ)

Плазменно-дуговой метод основан на использовании тепла плазмы для нагрева, размягчения и возможного расплавления напыляемого металла (сплава). В плазменной струе, состоящей из свободных электронов, ионов и частично нейтральных атомов азота (или другого плазмообразующего газа) создается высокая температура, позволяющая расплавить металл. Современные плазмотроны дают возможность регулировать тепловые, энергетические и газодинамические параметры процесса струйно-плазменного н внесения покрытий.

Технология КИБ включает в себя следующие этапы:

внекамерную обработку инструмента в органических растворителях и моющих растворах в целях очистки его поверхности от механических и органических загрязнении, а так же обезжиривание;

очистку поверхностей инструмента в камере бомбардировкой высокоэнергетическими ионами металла, извлекаемыми из вакуумной дуги, одновременно активизацию поверхности и разогрев ее до необходимых температур;

нанесение покрытия.

Необходимость внекамерной обработки поверхности инструмента определяется несколькими причинами:

наличие на рабочих поверхностях изделий отложений солей, окисных пленок снижает адгезию покрытия с подложкой, которая в основном определяется сцеплением с основой первых слоев поверхностного покрытия;

наличие даже на не рабочих поверхностях инструмента консерванта, масел вызывает при его разогреве в процессе ионной бомбардировки газовыделения, что приводит к снижению рабочего вакуума и осаждению на подложку соединений, снижающих адгезию;

присутствие в камере паров и газов, образующихся при разложении органических загрязнений в процессе нанесения покрытий, приводит к нарушению состава наносимого покрытия, ухудшению его эксплуатационных характеристик.

Преимущества и достоинства метода КИБ:

эффективность;

малоотходность;

небольшие расходы наносимых материалов;

незначительная толщина покрытий исключает последующую механическую обработку;

практически полное отсутствие экологических проблем, связанных с его освоением;

гигиеничность;

комфорт и удобство производства.

Нанесение износостойких покрытий из нитрида титана методом КИБ осуществляется на специальной установке. Перед нанесением покрытия объекты напыления подвергаются очистке в тлеющем разряде. Для этого в предварительно откаченную до давления =1Па камеру подают азот особой частоты и к подложкодержателю прикладывают высокий по абсолютной величине отрицательный потенциал. При этом между стенками камеры и изделиями развивается тлеющий разряд, в котором происходит интенсивная бомбардировка поверхности напыляемых изделий ионами азота. В местах загрязнения поверхности тлеющий разряд переходит в дуговой и в результате эрозии этих участков поверхности загрязнения удаляются.[6]

Дополнительно проводится очистка поверхности, покрываемой ионами титана. Для этого прекращают подачу азота в вакуумную камеру, и она снова окачивается до предельного вакуума. Затем включается плазменный ускоритель, который работает в режиме генератора и плазмы (включена магнитная катушка). Катод ускорителя выполнен из титана.

Генерируемые катодными пятнами вакуумной дуги ионы титана, имеющие энергию 10-100 эВ, дополнительно ускоряют в дебаевском слое, примыкающем к поверхности изделий, находящихся под отрицательным потенциалом.

Бомбардировка поверхности высокоэнергетиными ионами титана обеспечивает интенсивный нагрев изделий.

После непродолжительной ионной очитки вакуумная камера вновь заполняется азотом, на подложкодержатель подаётся отрицательное смещение, а плазменный ускоритель переводится в режиме работы с внешним магнитным полем, создаваемым катушкой.

На поверхности изделий формируется покрытие, представляющее собой химическое соединение компонентов плазмы и реактивного газа.

С помощью метода КИБ можно получать покрытие от 50 до 800 С° на изделие из стали и сплавов, керамики и стекла, а также пластмассы.

Однако ионно-плазменная обработка не является универсальным методом повышения износостойкости. На пути повсеместного внедрения и использования этого метода много проблем, обусловленных его сравнительной и спецификой. Относительно небольшая толщина покрытия (5-10 мкм) предопределяет повышенный уровень требований к качеству обрабатываемой поверхности. Шероховатость поверхности инструмента и деталей ниже 7-8-го класса не позволяет в большинстве случаев получать качественное покрытие.

Шероховатость поверхности оказывает влияние на очистку загрязнений и влияет на качество сцепления покрытия с подложкой.

Ряд трудностей связан с необходимостью подготовки (промывки) деталей непосредственно перед нанесением вакуумно-плазменного покрытия: деталь не должна трудно промываемых плоскостей, а её поверхности необходимо удалить окалину, коррозию и загрязнения. Это требует дополнительной механической обработки.

С помощью ионно-плазменной обработки можно наносить сравнительно тонкие слои, поэтому большой класс деталей, допустимый износ который повышает 0,1 мкм не может быть упрочнён этим методом.

Еще одно немало важное обстоятельство - дороговизна и повышенная сложность ионно-плазменного оборудования.

1.7 КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ, НАНОСИМЫХ НА РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

С учётом специфики работы инструмента, необходимости согласования свойств материалов покрытия и инструмента, технологических особенностей методов получения покрытия и общего подхода к свойствам материала покрытия требования к покрытиям для режущих инструментов могут быть разделены по общим признакам на группы. На рис. Показана классификация требований, предъявляемых к покрытиям для режущих инструментов.

К первой группе отнесены требования к покрытиям, учитывающие условия работы инструмента, т.е. его служебное назначение. Покрытия должны обладать: 1) высокой твёрдостью, превышающей твёрдость материала инструмента, и сохранять её при высоких температурах; 2) инертностью к адгезии с обрабатываемым во всем диапазоне выбранных температур; 3) устойчивость против высокотемпературной коррозии и окисления; 4) стабильность механических свойств при температурах не ниже температур теплостойкости инструментального материала; инертностью к растворению в обрабатываемом материале при высоких температурах; 5) сопротивляемостью разрушению при значительных колебаниях температур и напряжений.

Ко второй группе отнесены специфические требования к инструментальному материалу с покрытием - как единому композиционному телу. В этом случае материалы покрытия и инструмента должны иметь: 1) сродство кристаллохимического строения, при котором возможно обеспечить прочную адгезионную связь между ними; 2) оптимальное соотношение основных физико-механических и теплофизических характеристик (модуль упругости, коэффициенты Пуассона, термического расширения, тепло- и температуропроводности).[1].

Наряду с перечисленными требованиями необходимо также учитывать, что композиционное тело покрытие - инструментальный материал подвергается относительно длительному воздействию высоких напряжений и температур, при которых возможны твёрдофазные диффузионные реакции на границе раздела материалов покрытия и инструмента, которые при определённых условиях могут привести к значительным изменениям состава и структуры взаимодействующей пары. Положительная роль покрытия может быть преждевременно утрачена.

Поэтому одним из важнейших требований к материалам покрытия и основы является снижение склонности указанной пары к твёрдофазовым диффузионным реакциям во всём диапазоне температур и напряжений в условиях резания.

Классификация требований, предъявляемых к покрытиям для режущих инструментов:

Рис. 1.5

При получении покрытий на режущий инструментах необходимо учитывать и ряд требований, связанных с технологическими особенностями процессов получения покрытий, представляющих соединения тугоплавких металлов, происходит при относительно высоких температурах. В некоторых случаях эти температуры могут превысить температуры рекристаллизации инструментальных материалов, особенно низкотеплостойких инструментальных сталей. Поэтому покрытие должно быть таким, чтобы в инструментальном материале не протекал процесс рекристаллизации, резко снижающий твёрдость инструментального материала, и таким образом, режущую способность инструмента.

Весьма важным является возможность воспроизведения заданных химического состава, свойств и структуры покрытия при выбранном методе процесса.

К общим требованиям для покрытий, наносимых на режущие инструменты, можно отнести: 1) высокую плотность и сплошность, исключающие доступ активных реагентов к поверхности инструментального материала; 2) предельно малые колебания толщины покрытия на рабочих поверхностях инструмента и на переходном участке между передней и задней поверхностями; 3) стабильность свойств покрытия на рабочих поверхностях инструмент; 4) возможность получения покрытий простым и экономичным способом; 5) временную стабильность свойств покрытий.[7]

Наибольшее распространение получили многослойные покрытия на основе карбидов, нитридов, карбонитридов тугоплавких металлов IV-VI групп Периодической системы элементов.

Некоторые из указанных соединений уже нашли широкое применение, в частности карбиды и нитриды титана. Применение других соединений ограничено из-за крайней дефицитности ряда тугоплавких металлов и сложной технологии получения их соединений существующими методами. Однако уникальность их свойств, особенно таких, как высокая твёрдость, которая сохраняется при повышенных температурах, химическая инертность по отношению к конструкционным сталям, жаростойкость, коррозионная стойкость и т.д., позволяет предполагать, что часть из них найдёт широкое применение в качестве покрытий. Особенно это относится к нитридам, карбонитридам, боридам, окислам и их смесям тугоплавких металлов.

Уникальность свойств соединений металлов IV-VI групп Периодической системы элементов связана с особенностями их кристаллохимического строения.

Во-первых, характерной особенностью этих металлов является наличие у них дефекта электронов на внутренних электронных орбитах s, p и d, что делает их весьма восприимчивыми к приобретению электрона из любого источника. Такими источниками могут быть межузельные атомы углерод, азота и кислорода.

Между указанными электронными уровнями существует лишь небольшая разница в энергии, вследствие чего становится возможным взаимопереход электронов с одного уровня на другой. Эти переходы, сильно завися от температуры и давления.

Во-вторых, большинство переходных металлов имеют достаточно большие радиусы атомов и могут подчинятся правилу Хегга, согласно которому отношение радиуса атомов неметалла к радиусу атома металла r_x/r_m меньше критического значения (0,59).

Для металлов IV группы (Ti, Zr Hf) вполне выдерживаются правило Хэгга, что приводит к образованию простых структур, в которых превалиркет связь Ме-Ме. Атомы кислорода, азота и углерода можно рассматривать как вставленные в решётку атомов металла. Для металлов VI (Va, Nb, Ta) и VI (Cr, Mo, W) групп Периодической системы элементов, имеющих большой атомный радиус, нитриды и карбиды характеризуются более сложными структурами.

В-третьих, большинство соединений переходных металлов имеют широкие области гомогенности, что позволяет в зависимости от содержания кислорода, азота и углерода достаточно сильно изменять их физико-механические свойства. Последнее обстоятельство очень важно с точки зрения возможности варьирования свойствами покрытий в зависимости от условий применения.

В-четвёртых, переходные металлы и некоторые их соединения имеют очень высокую температуру плавления, причём наибольшую температуру плавления имеют соединения с простой кубической структурой типа NaCl, TiC, ZrC, HfC, TiN, ZrN, HfN, VC, NbC, TaC (т.е. для них хорошо выдерживается «правило 15%» Юм-Розери, согласно которому образование твёрдых растворов возможно лишь в тех случаях, когда максимальная разность атомных радиусов не превышает 15 %.

Большинство соединений тугоплавких переходных металлов, обладая уникальными свойствами и широким диапазоном свойств, делающих их пригодным для использования в качестве покрытий, имеют преимущества и недостатки. С учётом отмеченной выше двойственной природы покрытия на режущем инструменте как «третей» среды между инструментальным и обрабатываемым материалами использование одного из тугоплавких соединений в качестве покрытия не всегда может удовлетворять основным требования, предъявляемым к покрытиям для режущих инструментов.

Рассмотрим возможные пары образования карбид-карбид: TiC-ZrC; ZrC-TaC; NiC-TaC; TiC-HfC; TiC-NbC; VC-TaC VC-TaC.

Пары нитрид-нитрид: TiN-ZrN; ZrN-HfN; TaN-CrN; ZrN-NbN; TiN-NbN; VN-NbN.

Пары карбид-нитрид: TiC-TiN; VC-NbN; ZrC-ZrN; TiC-NbN; VC-VN; ZrC-NbN. Эти соединения имеют широкую область растворимости и перспективы с точки зрения возможности использования для создания композиционных покрытий. Они подчинятся «правилу 15» Юм-Розери.

На рисунке 1.6 показана идеализированная схема многослойного композиционного покрытия для режущих инструментов, которая позволяет уяснить общий подход к проблеме создания многослойного композиционного покрытия.

Рассмотрим схему, приведенную на рис.5. Слой 5, непосредственно примыкающие к инструментальному материалу, должны обеспечивать прочную связь покрытия с рабочими поверхностями инструмента. Очевидно, в этом случае кристаллохимическое слоя и инструментального материала должно быть предельно идентично.

Рис. 1.6

В частности, размеры атомов должны подчиняться «правилу 15 %» Юм-Розери, параметры решётки должны примерно совпадать, сингония кристаллов должна быть идентичной. Вместе с тем здесь необходимо и ограничение: система «слой 5 - инструментальный материал» не должна давать хрупких интерметаллидов при температуре резания, т.е. должны подчиняться общим требованиям, предъявляемым к покрытиям. Наиболее важным является «совместимость»теплофизических свойств, в частности коэффициентов термического расширения (КТР) соединения слоя 5 и инструментального материала, а также примерное равенство коэффициентов теплопроводности. Желательно, кроме того, чтобы физико-химические свойства указанной пары также были приблизительно одинаковы, особенно модули упругости Е, модули сдвига G, коэффициента Пуассона .

Слой 3 - барьерный слой, увеличивающий термодинамическую устойчивость покрытия или выполняющие другие функции.

Слой 1, непосредственно контактирующий с обрабатываемым материалом, прежде всего должен иметь низкую склонность к физико-химическому взаимодействию с обрабатываемым материалом, т.е. служит своеобразным барьером твёрдофазным и жидкофазным диффузионным реакциям между инструментальным и обрабатываемым материалом. Кроме того, слой должен достаточно хорошо сопротивляться высокотемпературным коррозии и окислению. С учётом высоких напряжений, действующих на слой покрытия для режущего инструмента 1, а также возможности значительных колебаний температуры напряжений слой 1 может быть преждевременно разрушен, поэтому он должен хорошо сопротивляться хрупкому разрушению в условиях усталости. Назначение слоев 2 и 4 осуществлять связь между слоями 5, 3, 1 несущую основную функциональную нагрузку, поэтому их свойства должны быть переменными от свойств слоя 5 до барьерного слоя и от слоя 3 до слоя 1. [1]

1.8 Определяющие технологически параметры при катодном распылении

Специфической особенностью метода КИБ существенная зависимость качества покрытие от большого количества технологических параметров. Включают температуру объекта, давление и состав реакционного газа, ориентация объекта к потоку плазмы и ряд других. Причём технологический контроль многих параметров затруднен и практически не осуществляется. Кроме того качество покрытий зависит от массы и геометрии объекта, шероховатости материала инструмента и других, вследствие этого практически для каждого размера инструмента приходится подбирать индивидуальные режимы нанесения покрытия.[1]

Сила тока дуги оказывает существенное влияние на толщину наносимого слоя. С увеличением силы тока, толщина покрытия, растет. Эту зависимость необходимо учитывать при назначение времени осаждения покрытия.

Покрытие наносится на определенный материал (на режущий инструмент стали с достаточно высокой теплостойкости). Кроме того шероховатость поверхности R_э должна быть не ниже 1,25 мкм. Работа способность инструмента определяют в первом приближении величина твёрдости, вязкости, коэффициента термического расширения, а также возможные переходы из одного состояния в другое, подложка должна сохранять необходимую прочность и при повышении температуры эксплуатации, чтобы избежать разрыв покрытия. Топография поверхности покрытия и подложки зависит от состава и связанна с ним влиянием предварительной обработки. Покрытие получается более равномерным, если подложка как много больше различных фаз. [7]

На рисунке 1.7. показано влияние технологических параметров процесса нанесения покрытий, на качественные характеристики напыляемого на режущий инструмент. Схема влияния технологических параметров процесса нанесения покрытий:



Рис. 1.7

Фазовый состав, микроструктура, микротвёрдость, строение поверхности и другие свойства получаемого покрытия изменяются в зависимости от давления реакционного газа, как правило, для конденсатов полученных на основе TiN методом КИБ, характерна ячеистая структура поверхности, для TiN стихометрический состав Ti_x и N_y меняется от 0,5 - 1; TiN; Ti₂N; Ti.

Пористые покрытия, формирующиеся при давлении реакционного газа в камере 0,067Па. Поры довольно крупные и располагаются между столбчатыми кристаллами. Здесь же наблюдается содержание капельной фазы - Ti. При снижении давления до 0,013 Па снова образуется плотные безпористые покрытия малой толщины. Цвет конденсата бледно - жёлтый, что свидетельствует о насыщение его азотом. Наряду с нестихометричиским нитридом титана здесь присутствует значительное количество фазы - Ti, которая в случае расположенная на границе конденсат подложка является причиной снижения прочности их сцепления. Наличие текститурированности рассматриваемых покрытий можно определить с помощью рентгеновского фазового анализа. Следует сделать выводы, что давление реакционного газа влияет в основном на пористость покрытия, т.е. на ее микротвердость [4]

Температура подложки при нанесении на её покрытий (температура конденсации) является важным фактором, определяющим основные свойства покрытий - внешний вид, структуру, адгезию, механические и коррозионные свойства. Предварительный нагрев обычно благоприятно сказывается на свойствах покрытия, однако чрезмерный перегрев подложки нежелателен, так, как может привести к уменьшению коэффициента конденсации паров, т.е. к частичному реиспарению конденсата, образование диффузионных слоёв или химических соединений на границе покрытия - подложка, ухудшающих адгезию, а также к изменению свойств подложки. [1]

Хотя наряду с этим высказываемым данными, влияние потенциала подложки на морфологию получаемого покрытия имеет разное мнение. При повышение потенциала подложки 0 - 200 Вт покрытия получается наиболее плотным с низкой пористостью мелкокристаллические с высокими с высокими физико-механическими свойствами, однако при низких потенциалах подложки 20 - 50 Вт были получены результаты также с высокими физико-механическими свойствами. Вероятно, здесь нужно учитывать специфику нанесения покрытия. Так же специфику подложки.

Хотя в качестве распыляемого материала можно использовать любой, но получили распространение тугоплавкие материалы IV ,VI группы и для катодов используются плотные и однородные материалы изготовленные, как правило, вакуумным или электродуговым способом. Катоды изготовлены литьём, содержат много пор, газов, и практически не применяются. Используются, как правило, однородные моно катоды и сложного состава.

О потенциале подложки, о морфологии получаемого покрытия в литературе имеются самые противоречивые данные. При повышении потенциала подложки от 0 до 200В покрытие получается более плотным с низкой плотностью мелкокристаллическое и высокими физико-механическими свойствами. Однако при низких потенциалов ряд авторов получали покрытия с достаточно высокими физико-механическими свойствами.

1.9 Выводы

На основании литературной проработки по методам нанесения износостойких вакуумно-плазменных покрытий на режущий инструмент. Показано, что нанесение износостойкого покрытия на инструментальные материалы позволяют приблизиться к созданию «идеального» материала, обладающей высокой износостойкостью в сочетании с достаточной прочностью и вязкостью. Он может удовлетворить самым высоким требованиям, предъявляемым к качеству, производительности и надежности.

Выполнен сравнительный анализ методов получения износостойких покрытий на режущий инструмент. Показано, что метод КИБ, технологически доступен и позволяет управлять свойствами инструментальных материалов в широких пределах и достигать требуемых эксплуатационных характеристик.

2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 УСТАНОВКА ИОННО ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ННВ-66.-И1, НАЗНАЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Установка предназначена для нанесения упрочняющих одно и многослойных покрытий на инструмент широкой номенклатуры диаметром до 200 мм и длиной до 250 мм способом конденсации вещества с ионной бомбардировкой.

Установка предназначена для эксплуатации в районах с умеренным климатом в следующих условиях (согласно ГОСТ 15150 - 69 для исполнения «УХЛ» категории 4):

атмосферное давление от 960до 1040 г Па;

температура окружающей среды от +10 С⁰ до +35 С⁰;

относительная влажность воздуха от 30% до 80 %;

среда, окружающую установку, невзрывоопасная, не содержащая пыль, в том числе токопроводящей, в количестве нарушающей работу установки, а также агрессивных паров и паров концентрациях разрушающих металлы и изоляцию.[5]

Технические данные

Технические данные установки должны соответствовать:

размеры рабочей камеры установки должны соответствовать - высота 600⁺³⁰ мм., длина. 600^-20 мм;

количество электродов токопроводящих - 3шт.;

максимальная нагрузка на шпиндель (вал) - 110 кг.;

максимальная нагрузка на ось сателлита механизма вращения - 10 кг.;

диапазон плавного регулирования частоты вращения стола (в обе стороны) - от 0,5 до 12 об. мин.;

длительность цикла упрочнения инструмента - 20ч.;

скорость осаждения покрытия (TiN) - от 13 до 40 мкм/ч.;

номинальный ток высоковольтного источника питания подложки - 20А.;

диапазон плавного регулирования величины напряжения высоковольтного источника питания подложки - от 100 до 1500 В.;

потребляема мощность 50 кВт.;

напряжение питающей сети - 38019 / 28011 В.;

число фаз - 3;

чистота тока - 50 Гц.;

остаточное давление в камере - от 66,5 10^-3 до от 66,5 10^-1 Па. (от 5 10^-5 до 5 10^-3 мм. рт. ст.)

расход охлаждающей воды охлаждающей воды, не более - 2 м³/ч.;

масса установки - 30т.

Диаметр камеры определяется как диаметр вписанной окружности с центром на оси стола.

Устройство и работа установки

Нанесение упрочняющих покрытиями производится способом конденсации вещества на поверхность инструмента в вакууме с ионной бомбардировкой.

Испарения металла и образования ионов производится с помощью электродов токопроводящих (электродуговых испарителей). Упрочняемый инструмент устанавливается на вращаемом столе, который приводится в движение механизмом вращения. Загрузка инструмента в корпус производится через дверцу. Вакуум создаётся в корпусе с помощью вакуумной системы, размещённой на основании. Для предохранения узлов установки от перегрева, используется система водоохлаждения. Электрическая часть обеспечивает электроэнергией установку, осуществляет контроль и управление работой установки и процессом нанесения покрытия.

Структурная схема установки ННВ - 6.6. - И1 представлена на рисунке 2.1.

Вакуумная камера представляет собой герметичный водоохлаждаемый цилиндр имеющий ряд фланцев для присоединений электродуговых испарителей и смотровых окон вакуумной системы, а также ряд вводов для подачи напряжения измерения вакуума, температуры, подачи различных газов и ввода вращения подложка держателя.

Корпус выполнен в виде водоохлаждаемого цилиндра, на торце которого, через фланец, укреплен держатель. На корпусе установлены две катушки для создания электромагнитного поля. На фланце имеется гляделка, через которую контролируется температура с помощью пирометра «Смотрич»

Подложка держатель представляет собой планетарную систему, благодаря которой осуществляется вращения всего подложка держателя, а также изделия вокруг собственной оси. Подложка держатель также охлаждается водой. Число посадочных мест на подложка держателе различно - 12, 24.

Система водаохлаждения состоит из панели водораспределительной и трубопроводной. Все водаохлаждаемые узлы установки питаются от магистрали, давление воды в которой должно быть 0,2 Мпа.

В панели водаохлаждательной установки предусмотрена воронка визуального контроля протока воды, а также датчик сигнализаторов уровня, которые при прекращения подачи воды включают звуковую и световую сигнализации. Расход воды регулируется вентилями, установки на коллекторе.

Система вакуумная обеспечивает создание в рабочей камере необходимого рабочего давления и состоит из форвакуумных насосов типа 2НВР - 5ДМ, диффузионного парамасленого насоса Н - 250 / 2500, вакуумного затвора с электрическим приводом ДУ -25, фильтра, вакуумного вентиля, преобразователей (датчиков вакуума) манометрических термопарных и конвенционных, подсоединенных к вакуумметру ВИТ - 3.

Механизм вращения имеет электрический привод, состоящий из электродвигателя постоянного тока и редуктора, соеденный планетарной передачей. Электродвигатель позволяет изменять число оборотов и направления вращения.

Система управления предназначена для поддержания непрерывной работы в автоматическом режиме, контроля и регулирования технологических параметров, состоит из электронных блоков регулируемой и измерительной аппаратуры.

Система газанапуска предназначена для подачи газа в вакуумную камеру реакционного газа в данном диапазоне (10^-2 , 10^-4 мм. рт. ст.) и состоит из запорного клапана, электронного натекателя , газового редуктора и газового болона. Используется газ ОСЧ. Кроме газообразного можно использовать жидкий азот в сосудах Дюара.

Аналогично для очистки изделий используется подача инертного газа. Диапазон измерения 10^-2 , 10 ⁶ мм. рт. ст.

Измерение и контроль температуры предназначена для непрерывного контроля температуры изделий в режиме от 100 до 900 ⁰ С. Пирометр тиа «Смотрич».

Принцип работы установки для нанесения покрытия состоит в следующем .

Вакуумная камера герметируется и в ней создается вакуум с помощью вакуумной системы 1 10^-5 мм.рт.ст.

Очистка тлеющим разрядом. В камеру подается газ (N₂ , A₂) 1 10^-2 5 10^-3 мм.рт.ст. прикладывается потенциал 500 - 800 В, в вакуумной камере происходит тлеющий разряд свечение светло розовое в местах загрязнения образуются микродуги. Процесс ведут до прекращения микродуг 10 - 20 мин.

Полная очистка. На подложку подается отрицательный потенциал. Подача напряжения на подложкадержатель подается постепенно от 350 Вт и дальше при выключенном испарителе. Процесс ионной очистки 3 -7 минут до max. очитки изделия

Конденсация покрытия. Устанавливается на подложку от 50 - 250 В давление реакционного газа в зависимости от свойств вакуумно-плазменного покрытия 5 10^-2 1 10^-3 мм.рт.ст. Толщина покрытия зависит от времени конденсации. И до 30 минут линейная зависимость сохраняется.

Выгрузка изделий остывания изделия инструмента можно осуществить в среде А₂ и N₂ либо в вакууме 10^-3 10^-5.

2.2 Методы контроля качества покрытий

Как было выше отмечено на свойства покрытий, получаемых методом КИБ, оказывает влияния множество технологических параметров: температура процес са, энергия ионов, степень ионизации плазмы, ориентация напыляемой поверхности к потоку плазмы, шероховатость поверхности, напряжение на подложке. Многие из этих параметров неконтролируемые и не управляемы, и для обеспечения стабильного, повторяющегося уровня качества покрытий необходима оценка структуры и физико-механических свойств.[6]

Степень оптимальности выбираемых для нанесения покрытий технологических режимов определяется точностью оценки качества полу чаемых при этом покрытий и степенью соответствия выбранного критерия качества эксплуатационных показателей. Необходимость объективных и точных методах определения качества усугубляется еще и тем обстоятельством, что практически для каждого размера напыляемых образцов приходится подбирать индивидуальные технологические ре жимы нанесения покрытий.

Покрытие являются сложным объектом исследования, для характеристики которого необходимо оценить целую совокупность параметров: толщину, химический и фазовый состав, перелётное состояние, пористость, адгезию и т.д.

В данной работе рассматриваются методы адгезионных свойств, оценки микротвёрдости и шероховатости.

Испытание на твёрдость материалов с покрытиями могут проводится для контроля качества нанесенного слоя, выявления изменений в поверхностных участках основного материала, для оценки структурной неоднородности по сечению покрытия, с целью исследования закономерностей изнашивания покрытий, определения прочности соединения покрытия с основным материалом и т.д. [14]

2.2.1 Метод микротвёрдости

Методами микротвёрдости находят твёрдость микрообъёмов покрытия.

Наибольшее распространение получили испытания с применением наконечника в форме четырёхгранной пирамиды с квадратным основанием. В исследовательской практике для определения микротвёрдости покрытий используется именно этот наконечник на прибое ПМТ-3, серийно выпускаемом в ПО «Точприбор» (г. Иванове Россия). [10]

Методика испытания на микротвёрдость указанна в ГОСТ 9450-60. Индснтором служит алмазная пирамида с квадратным основанием правильной четырёхгранной формы с углом при вершине между противоположными гранями пирамиды, равным 136°. (рис.2.2) Очень важна точность изготовления пирамиды, так как при малых отпечатках погрешности индентора сильнее сказываются на результатах испытаний. Точность размеров пирамиды регламентируется ГОСТ 9377-63.[9]

При испытании на микротвёрдость поверхность алмазной пирамиды и испытуемая поверхность образца должны быть сухими (без смазки).

Согласно ГОСТ 9450-60 при определение микротвёрдости используют следующие нагрузки; 5; 10; 20; 50; 100; 200; 500Г. Испытуемая поверхность должна быть плоской, гладкой, свободной от загрязнении. Получив квадратный отпечаток, измеряют с помощью микроскопа его диагонали и находят их среднее арифметическое:

Эту величину принимают за расчётную длину диагонали отпечатка.

Число микротвсрдости Н представляет собой частная от деления нагрузки на условную площадь боковой поверхности полученного отпечатка F:

Так как для четырехгранной пирамиды с углом между противоположными гранями при вершине 136 °

то

,

где Р- нагрузка на пирамиду, кГ;

d- среднее арифметическое длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки

Если Р выражено в граммах, а d в микромерах, то число микротвердости

.

В зависимости от величины нагрузки и твёрдости материала диагонали отпечатков при испытании на микротвсрдость имеют длину от 3 до 300 мкм.

Глубина отпечатка четырехгранной пирамиды

При указанных значениях d глубина отпечатка изменяется от 0,5 до 40 мкм.

При испытаниях на микротвёрдость величину нагрузки выбирают таким образом, чтобы диагональ отпечатка была не менее чем 1,5 раза меньше толщины исследуемого материала или слоя; глубина отпечатка должна быть меньше толщины испытуемого материала и слоя не менее чем в 10 раз.

Указанные соотношения выражаются следующими формулами:

,

где S- толщина исследуемого материала или слоя.

Нагружение индентора во время вдавливания нужно вести медленно и плавно, чтобы не исказились размеры отпечатка.

С помощью метода микротвёрдости можно проводить исследования свойств покрытий, полученных при варьировании технологических параметров.

2.2.2 Метод АПИД

В настоящее время нет единого термина, обозначающего силу связи между основным металлом и покрытием, отнесенную к единице их общей поверхности.

Наиболее часто используются следующие понятия адгезия, адгезионная прочность, прочность сцепления покрытия с основой и др. Такая неопределённость в терминологии, разумеется, вносит путаницу, как в специальной литературе, так и в технологической документации при исследовании свойств покрытий в производственных условиях.[17]

Адгезия (прилипание, схватывание) и производные от этого слова не всегда корректно характеризуют те многообразные процессы, которые приводят к соединению основного металла с покрытием.

Более правильным термином, описывающим удельную силу этой связки, является «прочность с основным металлом».[23]

Метод АПИД является формой испытания, которое включает в себя нагружение, моделирующее механические нагрузки на покрытия в процессе эксплуатации и регистрацию реакции покрытия на данной нагружение. В данном методе для возбуждения в покрытии механических напряжении использованы электрострикционные свойства существующей на поверхности покрытия оксидной пленки. Вследствие эффекта электрострикции наложение на оксидную плёнку электрического поля приводит к возникновению в ней поля механических напряжений, которые передаются на покрытие. Для создания в оксидной пленке электрического поля высокой напряженности, поверхность покрытия подвергают анодной поляризации в среде электролита, содержащего хорошо адсорбируемые агрессивные анионы. Из термического анализа следует выражение, связывающее электрострикционное напряжение в поверхности оксидной пленке Р с величиной поляризующего напряжения ?, поверхностным напряжением ? , и толщиной плёнки L: