Головна Електронна бібліотека Аннотованні посилання
АВТОРЕФЕРАТ
УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСІВ НАНЕСЕННЯ ЗАХИСНИХ ПОКРИТТІВ
Вступ ^
Розвиток машинобудування визначає головним чином можливість створення й одержання в достатніх кількостях конструкційних матеріалів, що відповідають комплексу вимог сучасної індустрії і нової техніки. Для підвищення терміну служби твердосплавного інструмента застосовують покриття з карбідів і нітридів титана, цирконію і гафнію, з огляду на їхню високу енергію зв'язку в кристалічних ґратах, велику міцність, твердість у різних середовищах і при високих температурах. З метою підвищення робочих характеристик і ефективності роботи виробів застосовують покриття з тугоплавких матеріалів.
Актуальність теми ^
Створення інструментальних матеріалів, що володіють підвищеною зносостійкістю, високою міцністю, а також в'язкістю, здатністю пручатися короткочасному високоенергетичному впливу є актуальною задачею і можливості їхнього застосування можуть бути розширені при оптимізації параметрів складу, мікротвердості й адгезії покрить. Традиційний метод підвищення властивостей інструмента для різання легуванням у даний час стримується в зв'язку з дефіцитом ряду легуючих елементів і внаслідок цього практично важливою задачею стає пошук науконо-обгрунтованих режимів додаткової обробки інструмента. Вакуумні іоно-плазмові покриття на поверхні інструмента для різання дозволяють підвищити його опір зносу при експлуатації, розширити границі технологічних можливостей і зменшити витрата інструментальних матеріалів, а також поліпшити якість обробленої поверхні деталей. Однак деякі закономірності формування складу і структури захисних шарів і їхніх експлуатаційних характеристик залишаються поки неясними.
Зміст роботи ^
Вольфрамокобальтові сплави складаються з карбіду вольфраму (WC) і кобальту. Сплави цієї групи розрізняються змістом у них кобальту і розмірами зерен карбіду вольфраму. Сплав ВК6 складається з 94% WC і 6% Co.
Нітридні і карбідні покриття знаходять широке застосування в різних галузях промисловості, що пов'язано з їх граничними фізико-механічними властивостями і стійкістю в багатьох агресивних середовищах [1, 9]. Найбільше застосування як зносостійкі покриття для різальних інструментів одержали покриття, які містять тітан, що володіють такими властивостями [2, 8]. Застосування іоно-плазмових тугоплавких покрить підвищує стійкість інструмента зі сплаву ВК6 у 2,5 рази [3].
У таблиці 1 приведені властивості з'єднань тугоплавких металів Ti, Zr, Hf, використовуваних як покриття [2, 10].
У роботі [5] вивчали знос задньої поверхні пластин, що ріжуть, при гострінні заготівлі зі сталі Х12М и було відзначено, що нитридные покриття на пластинах, що ріжуть, зі сплаву ВК8 сприяють підвищенню їхньої зносостійкості.
Слід зазначити трохи більш високу зносостійкість нитридоциркониевого покриття в порівнянні з нитридотитановым при гострінні стали Х12М. Крім того, пластини ВК8 з покриттям Ti мали катастрофічний знос при швидкості різання нікелевого сплаву ХН70УМТЮ-Ш, рівної 5,19 м/с, а пластини ВК8 з покриттям Zr продовжували працювати і при швидкості 8,3 м/с. Переваги нітриду цирконію зв'язані з його меншою крихкістю при достатній твердості і з більш високою зносостійкістю [1, 2].
У таблиці 2 приведені дані про мікротвердість і швидкість абразивної ерозії з'єднань Ti, Ti, TiCN, Zr, (Ti, Zr)N [6].
Як видно з таблиці 2, покриття (Ti, Zr)N по твердості уступають только карбіду титана Ti. Спільне використання карбідів і нітридів полягає в тім, що з'єднують зносостійкі карбідні покриття з більш пластичними нитридными [7].
Таблиця1
– Властивості тугоплавких металі для покриттів|
З'єднання |
Період кубічної гарткии, нм |
Плотність, г/см 3 |
Температура плавлення, 0С |
Мікротвердість Н , ГПа |
Часовий опір, МПа |
||
|
ростяжіння |
сжаття |
ізгиб |
|||||
|
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 |
- |
- |
- |
Таблиця 2
- Мікротвердість і швидкість абразивної ерозії|
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 |
Іоно-плазмові покриття наносяться фізико-хімічними методами PVD і CVD-типів [2]. Серед методів PVD найбільше поширення одержав метод конденсації покрить із плазми у вакуумі з іонним бомбардуванням поверхонь інструмента (метод КИБ). Можливість широкого варіювання температурою в зонах нанесення покрить дозволяє використовувати вакуумно-плазмові методи як універсальні методи для нанесення покрить на інструменти з твердих сплавів. Ці методи універсальні і з погляду можливості одержання широкої гами монослойних, багатошарових і композиційних покрить на базі нітридних, карбідних, карбонітридних з'єднань тугоплавких металів Ti, Zr, Hf.
За даними [7] відомо про взаємну розчинність карбідів і нітридів Ti, Zr, Hf. У сірчаній кислоті розчиняються Zr, Ti, Zr на відміну від не розчиняється карбіду титана [8].
Метою роботи було вивчення структури і властивостей покрить з тугоплавких з'єднань Ti, Zr, Hf на пластинках зі сплаву ВК6, а також їхньої здатності пручатися короткочасному високоенергетичному плазмовому впливу.
Нанесення покрить на твердосплавні пластини ВК6 проводили методом PVD на установці «Булат» шляхом пропущення парів бензолу з азотом над Ti (I) або над Ti + Zr + Hf (II) протягом 30 хв, або послідовно пропущенням парів бензолу, а потім азоту по 15 хв над Ti + Zr + Hf (III). У процесі нанесення утворювалися карбіди, нітриди і карбонитриды Ti, Zr і Hf.
Вимір мікротвердості проводили на микротвердомере ПМТ-3 по 10 вимірів на кожнім зразку при навантаженні 1,98 Н. Вимір твердості (HRA) проводили на твердомере Роквелла (погрішність одна одиниця HRA). Дані по твердості приведені в таблиці 3 (середні з 5 вимірів).
Потім проводили вимір товщини покрить металографічним методом (таблиця 3).
Перед проведенням іспиту на корозійну стійкість покриття зразки знежирювали і зважували на вагах. На поверхні зразків робили спеціальні лунки діаметром 3 мм із пластиліну. Потім лунку заповнювали 10 % - вим розчином H2SO4 і витримували 20 хв. Після проведення іспитів зразки також знежирювали і зважували на вагах.
Таблиця 3
– Значення твердості, мікротвердості і товшини покриття|
Властивість |
Сплав ВК6 |
Варіанти покриттів |
||
|
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
покриття, мкм |
- |
47,1± 1,6 |
48,9± 0,6 |
49,1± 0,8 |
З таблиці 3 просліджується тенденція зниження мікротвердості покрить у зв'язку з їхнім складом і способом нанесення. Мікротвердість зразків знижується при переході від варіанта I до III, що свідчить про пластифицирующем вплив карбідів і нітридів Zr і Hf (це погодиться з даними [2, 10]), що взаємно розчиняються, у тому числі, і в з'єднаннях Ti [7]; нітриди цих металів м'якше карбідів; Zr і Hf м'якше, ніж Ti [10]. У той же час макротвердість сплаву з покриттями практично однакова (90 HRA), що трохи вище твердості вихідного сплаву (89 HRA).
Товщина покрить (таблиця 3) приблизно однакова, хоча вона трохи збільшується від зразка I до зразка III. Це можливо зв'язано зі зміною періоду кубічних ґрат [2, 10], оскільки Ti і Ti мають трохи менший періоди ґрат, чим Zr і Zr, Hf і Hf.
Рисунок 1
– Властивості покриттівЗносостійкість
покриття варіанта II (0,0022
) виявилася в три рази вище, ніж покриття по
варіанті I; ще більш високу зносостійкість
мало покриття III, що погодиться з даними
роботи (рисунок 1) [3]. З даних про відносний
знос можна сказати, що при деякім зниженні
мікротвердості покрить їхній відносний
знос також знижується, що погодиться з
даними [1, 2].
Найбільш
висока корозійна стійкість у покриття
варіанта I (2,03
), у той час як у покрить варіанта II і III вона
склала порядку 15
(рисунок 1), що погодиться з даними роботи [2],
відповідно до якої Ti у сіркової кислоти не розчиняється.
На пластинки з покриттями короткочасно впливали електродуговою плазмою прямої полярності, отриманої за допомогою вуглеграфітового електрода дыаметром 6 мм
На покриттях (I, II) відбулися викиди матеріалу покриття з утворенням кратерів діаметром 100 – 200 мкм на всю товщину покриття і додатково на глибину 10 - 30 мкм у твердому сплаві. Товщина периферії кратерів збільшилася й утворився графітовий наліт товщиною до 700 (I) і навіть до 1100 (III) мкм.
На оплавленій поверхні була велика кількість пір діаметром від 0,3¸0,4 до 1¸1,2 мкм. Мінімальна кількість пір спостерігалося в покриття (II) – приблизно 1 пора/мкм2, у той час як у покриття (III) їх було 5¸6 пір/мкм2.
Мікротвердість (навантаження 1,98 Н) оплавленої зони для покриття (I) склала 17,2 Гпа при вихідній мікротвердості 20,3 Гпа; розходження в покрить (II, III) були незначні і мікротвердість склала 17(17,3 Гпа (Б) і 12(13 (III) Гпа відповідно. Покриття в оплавлених ділянок відшаровуються від твердого сплаву і сколюються.
ВИСНОВКИ ^
2.
Твердість покрить з нітридів і карбідів Ti
вище, ніж у покрить, що складаються з карбідів
і нітридів Ti, Zr, Hf, однак останні мають більш
високу зносостійкість; покриття Ti – Ti добре
пручається короткочасному впливу 10 %-ного
розчину сіркової кислоті.
3. Після короткочасного плазменного впливу в покриття з карбідами і нітридами Тi (I) відбувається сильне зниження твердості, у той час як у покрить з карбідами і нітридами Ti, Zr і Hf твердість залишається на тім же рівні; усі покриття в оплавлених ділянок мають тенденцію до відшаровування.
ЛІТЕРАТУРА ^
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.
