Развитие машиностроения определяет главным образом возможность создания и получения в достаточных количествах конструкционных материалов, отвечающих комплексу требований современной индустрии и новой техники. Для повышения срока службы твердосплавного инструмента применяют покрытия из карбидов и нитридов титана, циркония и гафния, учитывая их высокую энергию связи в кристаллической решетке, большую прочность, твердость в различных средах и при высоких температурах. С целью повышения рабочих характеристик и эффективности работы изделий применяют покрытия из тугоплавких материалов.
Актуальность темы ^
Создание инструментальных материалов, обладающих повышенной износостойкостью, высокой прочностью, а также вязкостью, способностью сопротивляться кратковременному высокоэнергетическому воздействию является актуальной задачей и возможности их применения могут быть расширены при оптимизации параметров состава, микротвердости и адгезии покрытий. Традиционный метод повышения режущих свойств инструмента легированием в настоящее время сдерживается в связи с дефицитом ряда легирующих элементов и вследствие этого практически важной задачей становится поиск научно-обоснованных режимов дополнительной обработки инструмента. Вакуумные ионно-плазменные покрытия на поверхности режущего инструмента позволяют повысить его сопротивление износу при эксплуатации, расширить границы технологических возможностей и уменьшить расход инструментальных материалов, а также улучшить качество обработанной поверхности деталей. Однако некоторые закономерности формирования состава и структуры защитных слоев и их эксплуатационные характеристики остаются пока неясными.
Содержание работы ^
Вольфрамокобальтовые сплавы состоят из карбида вольфрама (WC) и кобальта (Сo). Сплавы этой группы различаются содержанием в них кобальта и размерами зерен карбида вольфрама. Сплав ВК6состоит из 94% WC и 6% Co
Нитридные и карбидные покрытия находят широкое применение в различных отраслях промышленности, что связанно с их предельными физико-механическими свойствами и устойчивостью во многих агрессивных средах [1, 9]. Наибольшее применение в качестве износостойких покрытий для режущих инструментов получили титаносодержащие покрытия, обладающие такими свойствами [2, 8]. Применение ионно-плазменных тугоплавких покрытий TiC – TiN повышает стойкость инструмента из сплава ВК6 в 2,5 раза [3].
В таблице 1 приведены свойства соединений тугоплавких металлов Ti, Zr, Hf, используемых в качестве покрытий [2, 10].
Таблица 1
– Свойства соединений тугоплавких металлов для покрытий|
Сое-ди-не-ние |
Период кубической решетки, нм |
Плотность, г/см 3 |
Темпера-тура плавления, 0С |
Микро-твердость Н , ГПа |
Временное сопротивление, МПа |
||
|
растя-жение |
сжа-тие |
изгиб |
|||||
|
TiC |
0,4319 |
4,93-4,96 |
» 3250 |
31,7 |
65 |
1380 |
5 |
|
ZrC |
0,4698 |
6,9 |
3330-3530 |
29,5 |
76 |
834 |
75,1 |
|
HfC |
0,4641 |
12,2 |
3740-4040 |
28,3 |
- |
- |
- |
|
TiN |
0,4230 |
5,44 |
2950 |
20,5 |
- |
1298 |
240 |
|
ZrN |
0,4575 |
7,35 |
2980 |
15 |
- |
1000 |
- |
|
HfN |
0,4520 |
13,39 |
3310 |
16 |
- |
- |
- |
В работе [5] изучали износ задней поверхности режущих пластин при точении заготовки из стали Х12М и было отмечено, что нитридные покрытия на режущих пластинах из сплава ВК8 способствуют повышению их износостойкости.
Следует отметить несколько более высокую износостойкость нитридоциркониевого покрытия по сравнению с нитридотитановым при точении стали Х12М. Кроме того, пластины ВК8 с покрытием TiN имели катастрофический износ при скорости резания никелевого сплава ХН70ВМТЮ-Ш, равной 5,19 м/с, а пластины ВК8 с покрытием ZrN продолжали работать и при скорости 8,3 м/с. Преимущества нитрида циркония связаны с его меньшей хрупкостью при достаточной твердости и с более высокой износостойкостью [1, 2].
В таблице 2 приведены данные о микротвердости и скорости абразивной эрозии соединений TiN, TiC, TiCN, ZrN, (Ti, Zr)N [6].
Таблица 2
– Микротвердость и скорость абразивной эрозии|
Соединение |
Микротвердость Н , ГПа |
Скорость эрозии, г/мин |
|
TiN |
27.4 |
0,28 – 0,35 |
|
TiC |
40,3 |
1,2 – 1,25 |
|
TiCN |
30,9 |
0,35 – 0,70 |
|
ZrN |
32,7 |
0,19 – 0,25 |
|
(Ti, Zr)N |
34,1 |
0,11 – 0,15 |
Как видно из таблицы 2, покрытия (Ti, Zr)N по твердости уступают только карбиду титана TiC. Совместное использование карбидов и нитридов заключается в том, что соединяют износостойкие карбидные покрытия с более пластичными нитридными
[7].Ионно-плазменные покрытия наносятся физико-химическими методами
PVD и CVD-типов [2]. Среди методов PVD наибольшее распространение получил метод конденсации покрытий из плазмы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхностей инструмента (метод КИБ). Возможность широкого варьирования температурой в зонах нанесения покрытий позволяет использовать вакуумно-плазменные методы в качестве универсальных методов для нанесения покрытий на инструменты из твердых сплавов. Эти методы универсальны и с точки зрения возможности получения широкой гаммы монослойных, многослойных и композиционных покрытий на базе нитридных, карбидных, карбонитридных соединений тугоплавких металлов Ti, Zr, Hf.По данным [7] известно о взаимной растворимости карбидов и нитридов
Ti, Zr, Hf. В серной кислоте растворяются ZrC, TiN, ZrN в отличие от не растворяющегося карбида титана [8].Целью работы являлось изучение структуры и свойств покрытий из тугоплавких соединений
Ti, Zr, Hf на пластинках из сплава ВК6, в том числе их способности сопротивляться кратковременному высокоэнергетическому плазменному воздействию.Нанесение покрытий на твердосплавные пластины ВК6 проводили методом
PVD на установке “Булат” путем пропускания паров бензола с азотом над Ti (I) либо над Ti + Zr + Hf (II) в течение 30 мин, либо последовательно пропусканием паров бензола, а затем азота по 15 мин над Ti + Zr + Hf (III). В процессе нанесения образовывались карбиды, нитриды и карбонитриды Ti, Zr и Hf.Измерение микротвердости проводили на микротвердомере ПМТ-3 по 10 замеров на каждом образце при нагрузке 1,98 Н. Измерение твердости (
HRA) проводили на твердомере Роквелла (погрешность одна единица HRA). Данные по твердости приведены в таблице 3 (средние из 5 измерений).Затем проводили измерение толщины покрытий металлографическим методом (таблица 3).
Перед проведением испытания на коррозионную стойкость покрытия образцы обезжиривали и взвешивали на весах. На поверхности образцов делали специальные лунки диаметром 3 мм из пластилина. Затем лунку заполняли 10 % - ным раствором
H2SO4 и выдерживали 20 мин. После проведения испытаний образцы также обезжиривали и взвешивали на весах.Таблица 3
– Значение твердости, микротвердости и толщины покрытия|
Свойство |
Сплав ВК6 |
Варианты покрытий |
||
|
I |
II |
III |
||
|
HRA |
89 |
90 |
90 |
90 |
|
Н , ГПа |
10,064± 0,738 |
20,356± 1,365 |
17,336± 1,794 |
12,140± 0,267 |
|
d
покрытия, мкм |
- |
47,1± 1,6 |
48,9± 0,6 |
49,1± 0,8 |
Из таблицы 3 прослеживается тенденция снижения микротвердости покрытий в связи с их составом и способом нанесения. Микротвердость образцов снижается при переходе от варианта
I к III, что свидетельствует о пластифицирующем влиянии карбидов и нитридов Zr и Hf (это согласуется с данными [2, 10]), взаимно растворяющихся, в том числе, и в соединениях Ti [7]; нитриды этих металлов мягче карбидов; ZrN и HfN мягче, чем TiN [10]. В то же время макротвердость сплава с покрытиями практически одинакова (90 HRA), что несколько выше твердости исходного сплава (89 HRA).Толщина покрытий (таблица 3) приблизительно одинакова, хотя она несколько увеличивается от образца
I к образцу III. Это возможно связано с изменением периода кубической решетки [2, 10], поскольку TiC и TiN имеют несколько меньший периоды решетки, чем ZrN и ZrC, HfN и HfC.
Рисунок 1
– Свойства покрытийИзносостойкость покрытия варианта
II (0,0022
) оказалась в три раза выше, чем покрытия по варианту I; еще более высокую износостойкость имело покрытие III, что согласуется с данными работы (рисунок 1) [3]. Из данных об относительном износе можно сказать, что при некотором снижении микротвердости покрытий их относительный износ также снижается, что согласуется с данными [1, 2].
Наиболее высокая коррозионная стойкость у покрытия варианта
I (2,03
), в то время как у покрытий варианта II и III она составила порядка 15 (рисунок 1), что согласуется с данными работы [2], согласно которой TiC в H2SO4 не растворяется.
На пластинки с покрытиями кратковременно воздействовали электродуговой плазмой прямой полярности, полученной с помощью углеграфитового электрода диам. 6 мм.
На покрытиях (
I, II) произошли выбросы материала покрытия с образованием кратеров диаметром 100 – 200 мкм на всю толщину покрытия и дополнительно на глубину 10 - 30 мкм в твердом сплаве. Толщина периферии кратеров увеличилась и образовался графитовый налет толщиной до 700 (I) и даже до 1100 (III) мкм.На оплавленной поверхности было большое количество пор диаметром от 0,3¸0,4 до 1¸1,2 мкм. Минимальное количество пор наблюдалось у покрытия (
II) – примерно 1 пора/мкм2, в то время как у покрытия (III) их было 5¸6 пор/мкм2.Микротвердость (нагрузка 1,98 Н) оплавленной зоны для покрытия (I) составила 17,2 ГПа при исходной микротвердости 20,3 ГПа; различия у покрытий (II, III) были незначительны и микротвердость составила 17¸17,3 ГПа (Б) и 12¸13 (III) ГПа соответственно. Покрытия у оплавленных участков отслаиваются от твердого сплава и скалываются.
ВЫВОДЫ ^
1. Карбидные и нитридные покрытия тугоплавких металлов могут быть высокопрочными, износостойкими, коррозионно-стойкими.
2. Твердость покрытий из нитридов и карбидов Ti выше, чем у покрытий, состоящих из карбидов и нитридов Ti, Zr, Hf, однако последние имеют более высокую износостойкость; покрытие TiC – TiN хорошо сопротивляется кратковременному воздействию 10 %-ного раствора H2SO4.
3. После кратковременного плазменного воздействия у покрытия с карбидами и нитридами Т
i (I) происходит сильное снижение твердости, в то время как у покрытий с карбидами и нитридами Ti, Zr и Hf твердость остается на том же уровне; все покрытия у оплавленных участков имеют тенденцию к отслаиванию.
ЛИТЕРАТУРА ^
1. Андриевский Р.А., Спивак И.И. Прочность тугоплавких соединений и материалов на их основе. – Челябинск: Металлургия, 1989. – 368 с.
2. Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. – М.: Машиностроение, 1986. – 192 с.
3. Калашников Л.В., Ковалев Д.Ю., Костогоров Е.П. Получение, структура и свойства покрытий на основе системы Ti – W – C – N, осажденных методом СВС-газотранспортных реакций. Физика и химия обработки материалов, 1996, № 4. – С. 50 – 55.
4. Криворучко В.М. Получение тугоплавких соединений из газовой фазы. – М.: Автомиздат, 1976. – 120 с.
5. Кусков В.Н., Парфенов В.Д., Ковенский И.М. Формирование и износостойкость нитридных ионно-плазменных покрытий на твердосплавных режущих пластинах. Физика и химия обработки материалов, 1992, № 6. – С. 76 – 81.
6.Литвинов А.А. Изучение физических основ получения композиционных покрытий в тройной системе Ti – Zr – N. Физика и химия обработки материалов, 2001, № 4. – С. 76 – 81.
7. Самсонов Г.В., Уманский Я.С. Твердые соединения тугоплавких металлов. – М.: Металлургиздат, 1957. – 388 с.
8. Самсонов Г.В., Эпик А.П. Тугоплавкие покрытия.–М.:Металлургия, 1973.–398с.
9. Ткаченко Ю.Г., Орданьян С.С., Юлигин В.К. Характеристики трения, особенности деформации в зоне контакта TiC в области гомогенности. Порошковая металлургия, 1979, № 6. – С. 45-48.
10. Тот Л. Карбиды и нитриды переходных металлов. – М.: Мир, 1974. – 296 с.