ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ИНСТРУМЕНТ ТОПОЛЯНСКИЙ П.А.

НПФ «ПЛАЗМАЦЕНТР», Санкт-Петербург, Россия

Источник: Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки. Материалы 6-й Международной практической конференции-выставки 13-16 апреля 2004 г. Санкт-Петербург. Изд. СПбГПУ, 2005, с. 323 - 338

Технологический процесс изготовления пластин с покрытием TiN состоит из:

1.Шлифования до значения параметра шероховатости Ra не более 0,63 мкм опорных поверхностей пластин для увеличения площади контакта с корпусом державки, а также передних поверхностей для улучшения условий схода стружки.

2. Контроля качества поступающих под напыление твердосплавных пластин на наличие дефектов поверхности (трещин, пор, рако¬вин и других несплошностей), осуществляемого методом капиллярной дефектоскопии.
3. Предварительной очистки пластин перед напылением, включающей ультразвуковое обезжиривание в моющем растворе, ультразвуковую промывку в горячей воде, промывку в дистиллированной воде, сушку и промывку гидролизным спиртом.

4. Предварительного подогрева оснастки с установленными пластинами до температуры 300-350 °С и выдержкой в течение 15-20 мин для последующего в процессе ионно-плазменного напыления умень¬шения времени откачки вакуумной камеры и времени разогрева пластин, а также снижения количества микродуг в процессе ионно-плазменного травления.

5. Процесса ионно-плазменного напыления, проводимого в три этапа: очистка поверхности пластин от загрязнений бомбарди¬ровкой ионами аргона в тлеющем разряде (ионно-плазменное травле¬ние); распыление, активация и нагрев поверхности пластин бомбардировкой ионами Ti в дуговом разряде и напыление TiN на поверхности пластин путем осаждения в вакууме из высокоскоростного плазменного потока в условиях бомбардировки пластин ионами Ti и одновременном прохождении плазмохимической реакции их с реакционным газом-азотом.

Процесс ионно-плазменного напыления осуществляется следующим образом. Предварительно прошедшие заточку, контроль, очистку и подогрев твердосплавные пластины вместе с приспособлениями устанавливаются в вакуумную камеру на расстоянии 270 мм от испарителя. При помощи вакуумной системы создается давление 6,65∙10-3 Па (5∙10-5 мм рт. ст.). Затем в камеру подается аргон до значения давления 2,66 Па (2∙10-2 мм рт. ст.). На пластины через выполняющие роль катода приспособления и механизмы вращения подается отрицательный потенциал равный 300 В, который в процессе очистки повышается до 1000 В. При этих условиях в вакуумной камере за счет ионизации молекул аргона происходит явление лавинообразного нарастания потока электронов, сопровождающееся свечением газа между электродами и возникновением самостоятельного тлеющего разряда. За счет кинетической энергии ускоренных в электрическом поле положительных ионов аргона бомбардирующих катод (в данном случае–изделии) происходит процесс ионно-плазменного травления поверхностных слоев твердосплавных пластин, сопровождающихся повышением их температуры до 300-3400С. Эффективное время ионно-плазменного травления составляет 10-20 мин, что отвечает отсутствию микродуг в вакуумной камере и, соответственно, пропаданию бросков напряжения в цепи разряда. По окончании процесса очистки прекращается подача аргона, и вакуумная камера откачивается до давления 6,65∙10-3 Па (5∙10-5 мм рт. ст.). На твердосплавные пластины подается отрица¬тельный потенциал равный 1,0 кВ, устанавливается ток дуги 90-100 А и с помощью устройства бесконтактного поджига дуги инициируется вакуумный электродуговой разряд. Весь ток дуги концентрируется на микроскопических участках, называемых катодными пятнами, хаотически перемещающимися по торцовой поверхности катода. Температура в катодном пятне достигает температуры кипения и составляет несколько тысяч градусов [1], что приводит к эрозии и испарению материала катода за счет выброса его из катодного пятна в виде высокоскоростных плазменных микроструй, ионов Ti и нейтральных частиц (капельной фазы и пара). Использование ускоренных пучков большой плотности, получаемых из плазменного потока, позволяет осуществлять очистку и разогрев поверхности твердосплавных пластин путем распыления атомов мишени, а также конденсацию ионов Ti на поверхности изделий. При достижении температуры пластин 700 °С напряжение на камере снижается до значения 200-250 В, и в камеру подается реакционный газ - азот особой чистоты до давления 0,5-0,8 Па (4∙10-3 - 6∙10-3 мм рт. ст.), которое поддерживается постоянным в течение всего процесса напыления (около 20-40 мин). При этом за счет плазмохимической реакции между ионами азота и ионами Ti образуется соединение TiN, которое конденсируется в виде тонкопленочного покрытия (7-8 мкм).

Таким образом, весь технологический цикл упрочнения режущего инструмента состоит из следующих операций: многоступенчатая подготовка инструмента (время на инструмент одной загрузки составляет 15-20 мин); загрузка партии инструмента (7-10 мин); обеспечение вакуума в камере (30-45 мин); ионная очистка, подогрев и осаждение упрочняющих покрытий (10-40 мин); охлаждение инструмента (25-45 мин); открытие камеры, удаление паров и металлической пыли, съем и выгрузка инструмента (5-10 мин). При этом трудоемкость работ, связанных с непосредственным получением износостойких покрытий, составляет около 10-20% от общей трудоемкости всего производственного цикла. Увеличение объема вакуумных камер с целью повышения производительности установок ведет, как правило, к повышению времени достижения вакуума до необходимых величин.

Внедрение на ОАО «Электросила» трех установок (рис. 5,6,7) для ионно-плазменного напыления с разными технологическими возможностями (ИЭТ-8И2, ВУ-1Б, ННВ-6,6И1) позволило повысить долговечность отдельных групп инструмента из быстрорежущих сталей и твердых сплавов, добиться экономии за счет использования импортного инструмента, приобретаемого без покрытия и нанесения на него износостойкого покрытия на отечественном оборудовании по разработанным технологическим процессам.
Так при фрезеровании пазов 30х80 мм дисковой трехсторонней фрезой диаметром 950х30 мм с 32-мя твердосплавными пластинами фирмы «Walter» на станке «Кельман» (Германия) поковки вала ротора ТВВ-8002 изготовленного из материала 38Х2НМА без покрытия обрабатывалось 24 паза, после упрочнения обрабатывалось 36 пазов.

 

Рис.6. Установка ИЭТ-8И2

Рис.7. Установка ВУ-1Б

Рис.8. Установка ННВ-6,6И1

Анализ данных исследований ионно-плазменного напыления методом КИБ TiN покрытий с целью определения путей совершенствования и разработки новых технологий упрочнения инструмента и оснастки приводит к следующим выводам:

1. Повышение стойкости режущего инструмента с покрытием TiN возможно только при соблюдении строго оптимизированного технологического процесса. При этом температура нагрева инструмента с учетом адгезионных свойств должна находиться в диапазоне 200-700 ºС.
Новые технологии упрочнения должны обеспечивать нанесение износостойких покрытий на интегрально холодную основу (температура нагрева поверхности не превышает 100ºС). При этом полностью будут отсутствовать изменения физико-механических свойств подложки, а эффект упрочнения будет достигаться только за счет покрытия.

2. Толщина покрытий из TiN зависит от расположения инструмента относительно испарителя в вакуумной камере. На торцовой и боковой поверхностях она может отличаться до пяти раз (это же относится и к задним, закрытым поверхностям). Толщина покрытия также зависит от разнотолщинности изделия и условий его крепления к оснастке, что определяет разную температуру нагрева в различных зонах. При этом толщина покрытия может отличаться на одном и том же изделии на 50%. Отсутствие на отечественном оборудовании контроля толщины покрытия в процессе напыления предопределяет низкую воспроизводимость качества процесса и эффективность упрочнения.
Принципиально необходимо обеспечивать в процессах упрочнения нанесение равномерного по толщине покрытия, а также осуществлять контроль свойств наносимого покрытия в процессе его осаждения (возможно по корреляции электрического сопротивления покрытия).

3. Микротвердость покрытия из TiN зависит от его толщины и стабилизируется при толщине покрытия свыше 5 мкм, составляя 2,1∙103 МПа. На штамповых сталях с низкой температурой отпуска наблюдается разупрочнение основы при неоптимальной температуре ионной очистки и подогрева. В прилегающей зоне к покрытию микротвердость основы увеличивается примерно в два раза. Таким образом, по изменению микротвердости в различных зонах можно судить о термическом воздействии на основу инструмента. Добиться отсутствия последнего на существующем оборудовании практически сложно.
Целесообразно использовать такие технологии упрочнения, где отсутствует термическое влияние на основу материала, и обеспечивается повышение стойкости инструмента только за счет нанесенного покрытия.

4. Рентгеноструктурные и электронографические исследования показали, что основу покрытия составляет химическое соединение TiN. Микрорентгеноспектральные исследования выявили, что в состав покрытия входит также Ti в металлическом виде. Наносимое покрытие TiN имеет кристаллическую структуру, представляющую со¬бой поликристалл с простой кубической решеткой. Исс¬ледования фазового состава покрытия показали его неоднородность. С увеличением толщины покрытия до 4 мкм процентное содержание Ti возрастает до 75 %, а при дальнейшем росте толщины покрытия со¬держание Ti постепенно уменьшается при одновременном увеличении содержания азота. Это объясняет значительное повышение микротвердости покрытия TiN на толщине 4,5-5 мкм. Исследование фазового состава подложки показало, что в слое, прилежащем к покрытию, происходит внедрение Ti на глубину 8-10 мкм. Наличие микрокапельной фазы Ti на поверхности инструмента требует не допускать контакта с атмосферой при высоких температурах, во избежание образования ТiO2, имеющего низкую стойкость в условиях резания. С целью уменьшения окисляемости покрытия, влияющей на стойкость и адгезионные свойства при резании, требуется контролировать время остывания инструмента в вакуумной камере. Выгрузка инструмента после напыления должна осуществляться после его остывания до температуры 100-200˚С.
Начиная с 70-х годов покрытия на инструменте, как в России, так и за рубежом, состояли только из тугоплавких химических соединений типа TiN, TiC, TiCN, TiAlN, ZrC, HfN, HfC, CrN, Al2O3. Позднее в 80-90 гг. инструмент изготавливался с многослойными покрытиями, наносимыми чередующимися слоями из этих же материалов (в настоящее время изготавливается инструмент, имеющий до 12 различных слоев покрытий типа карбидов, нитридов и оксидов) [13]. Ресурс и эффективность этих покрытий практически исчерпан. Известно, что данные тугоплавкие соединения имея кристаллические структуры, обеспечивают повышенную твердость с одновременно высокой хрупкостью (особенно для покрытий толщиной более 4-5 мкм). При создании новых упрочняющих технологий перспективой является возможность нанесения композиционных поликристаллических или аморфных покрытий, обладающих повышенной химической стойкостью, твердостью при высоких пластических свойствах, которые способны релаксировать эксплуатационные напряжения за счет пластичности покрытия.

5.  Процесс КИБ реализуется на сложном и дорогостоящем оборудовании. Инструмент перед загрузкой в вакуумную камеру должен пройти тщательную предварительную обработку (мойка, сушка, обезвоживание, подогрев). Приблизительно необходимая площадь для данного оборудования составляет 80-100 м2, требуется отдельная площадь для подготовительной подготовки инструмента (мойки, обезжиривания, обезвоживания, сушки) порядка 100-150 м2. Для обслуживания оборудования необходим отдельный персонал – слесарь, оператор установок вакуумного напыления, вакуумщик, электрик, электронщик, рабочие для подготовки инструмента. Для несерийного специального инструмента, изготавливаемого или приобретаемого в небольших количествах метод КИБ имеет низкую производительность из-за длительности подготовительных и вспомогательных операций. Имеются существенные ограничения по номенклатуре упрочняемого инструмента, в связи с использованием материалов с низкой температурой отпуска и связанными с габаритами вакуумной камеры (нельзя упрочнять длинномерные ножи прессножниц, крупногабаритные детали вырубных и гибочных штампов). Несмотря на то, что метод КИБ относиться к вакуумным технологиям, где должны отсутствовать экологические проблемы, для данного процесса необходимо использовать постоянную вытяжку, обеспечивающую отсутствие паров масла в рабочих помещениях и местную вытяжную вентиляцию, включаемую при открытии вакуумной камеры и выгрузке инструмента.

Для машиностроительных предприятий имеющих инструментальные цеха (изготавливающие инструмент второго порядка, индивидуальный инструмент, штамповую и литьевую оснастку), а также механические и штамповочные цеха (имеющие в своем составе заточные мастерские) целесообразно использовать малогабаритное оборудование для упрочнения различной номенклатуры инструмента и штампов.

Литература:

Дороднов А.М., Петросов В.А. О физических принципах и типах вакуумных технологических плазменных устройств. Журнал технической физики, 1981, т. 51, № 3, с. 504-524

Бедункевич В.В., Гордон М.В., Миркин Л.И. Структура и толщина ионно-плазменных покрытий нитрида титана на быстрорежущей стали. Физика и химия обработки материалов. 1986, №3, 57-61

Мацевитый Б.М. Покрытия для режущих инструментов. Харьков, Вища школа. Изд-во Харьковского ун-та, 1987, 128 с.

Гольцев В.П., Ходасевич В.В., Карпенко Г.Д. и др. Ионно-плазменная технология получения износостойких покрытий. Минск, БелНИИНТИ, 1987, 39 с.

Будилов В.В., Мельников С.А., Асадуллина Р.М. Основные закономерности формирования шероховатости поверхности при вакуумном напылении покрытий. «Оптимизация технологических процессов по критериям прочности». Уфа, 1987, 42- 48.

Юрьев О.Б. Ионно-плазменное напыление: опыт западноевропейских фирм. Машиностроитель, 1987, № 1, с. 37-40

Мелкова Г.А. Упрочнение инструмента нанесением износостойких покрытий. М., ВНИИТЭМР, 1989, 31 с.

Канунников М. Ф., Баянкин В. Я., Гильмутдинов Ф. 3. и др. Окисление покрытий на основе нитрида титана на воздухе при умеренных температурах. Физика и химия обработки материалов. 1989, №5, 118-121.

Вершина А.К., Бельчин И.А., Пителько А.А. и др. Защитно-декоративные свойства электродуговых вакуумных Ti и TiN -покрытий, осажденных в потоках плазмы. Физика и химия обработки материалов. 1990, №5, 93-96.

Внуков Ю.Н. Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент. – Киев, Тэхника, 1992. – 143 с.

Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение: 1993, 336 с.

Полянсков Ю.В., Табаков В.П., Тамаров А.П. Технологические методы повышения износостойкости режущего инструмента и деталей машин. Ульяновск, 1999, 69 с.

Панфилов Ю.В., Беликов А.И., Иванчиков И.В. Тонкопленочные покрытия на инструменте: анализ современного состояния и тенденции развития. Электронные, ионные и плазменные технологии. Приложение. Справочник. Инженерный журнал № 1, 2000, 12-16.

Гаврикова И.С., Додонов А.И., Мокрый В.В. и др. Влияние температуры на формирование ионно-плазменных покрытий. Физика и химия обработки материалов. 1989, №1, с.140-141