Износостойкие покрытия и их применение в повышении эксплуатационных характеристик режущего инструмента

Аннотация

В данной работе рассмотрены актуальные положения по износостойким покрытиям и их практическому применению в качестве основного метода повышения эксплуатационных характеристик режущего инструмента.

Полный текст

Введение В современном производстве с ростом требований к конечным изделиям идет постоянное совершенствование конструкционных материалов. Несмотря на то, что требования к изделиям будут различные, перед переходом на следующий этап цикла использования материала он нуждается в обработке. По определенным причинам, в том числе технологическим и экономическим, в качестве метода обработки используется обработка резанием. Таким образом, встает задача совершенствования технологических процессов с применением инновационного инструмента. Для повышения эффективности обработки функциональных материалов, называемых труднообрабатываемыми, применяют инструмент, оснащенный твердым сплавом оптимального состава и многофункциональным покрытием. Процесс резания сочетает в себе группу процессов, зависящих от физико-механических свойств обрабатываемого материала, качества режущего инструмента, условий резания, состояния станка, жесткости технологической системы. При обработке резанием вследствие пластического разрушения, адгезионно-усталостного износа, температурного воздействия возникают интенсивные отказы режущей системы. Это приводит к необходимости разработки принципиально нового комплексного подхода к выбору структуры наноструктурированного износостойкого покрытия, дающего максимальный эффект в сочетании с составом твердого сплава в процессе резания. 1. Основные этапы совершенствования режущего инструмента На протяжении всех этапов развития обработки материалов прослеживается единая концепция - совершенствование материалов конечных изделий требует совершенствования материалов инструмента для их обработки. Развитию твердых сплавов способствовало два направления в технике: появление нового метода изготовления изделий из тугоплавких металлов (порошковая металлургия) и разработка способов получения твердых «металлоподобных» веществ (карбидов). Метод порошковой металлургии остается единственно возможным, когда требуется создать сплавы, состоящие из значительно различающихся по температуре плавления компонентов [1]. Последние исследования показывают, что улучшение качества и эксплуатационных характеристик твердых сплавов происходит по следующим направлениям: совершенствование технологии; повышение свойств карбидной основы и связующей фазы; получение сплавов с регулируемой зернистостью; разработка безвольфрамовых и маловольфрамовых твердых сплавов; разработка керамических и оксиднокарбидных твердых сплавов; разработка многогранных пластин с износостойким покрытием [6]. В основе развития современного инструмента лежит принцип увеличения его стойкости за счет дополнительной обработки его поверхностного слоя. Повышение стойкости достигается в основном за счет нанесения износостойких покрытий и проведения термической обработки. Такие методы получают в промышленности все большее применение и дают значительный экономический эффект [3]. При всей эффективности термической обработки структура сплава существенно изменяется и возможно снижение эксплуатационных характеристик инструмента. Данный способ не универсален и применим только в неответственных системах, где изменение структуры не оказывает сильного воздействия на работу системы в целом. Так, повышение стойкости режущего инструмента за счет применения износостойких покрытий становится передовой тенденцией в промышленности [5]. В 70-е - 90-е годы прошлого века была разработана гамма процессов модификации поверхностных свойств инструментальных материалов, позволяющих в достаточно широких пределах модифицировать такие важные физико-механические свойства как твердость, теплостойкость, прочность, вязкость и оказать существенное влияние на эксплуатационные характеристики режущего инструмента [13]. 2. Износостойкие покрытия как основное направление в повышении эксплуатационных характеристик режущего инструмента В процессе резания возникает ряд негативных факторов [2]: · высокая температура в зоне резания, которая приводит к разупрочнению стандартных твердых сплавов, из-за чего снижается стойкость инструмента и вынужденно уменьшается скорость резания, что влияет на конечную производительность обработки; · высокая твердость и прочность труднообрабатываемых материалов, которые сохраняются при нагревании до высоких температур и создают в зоне резания повышенные контактные напряжения, увеличивая вероятность выхода из строя режущего инструмента вследствие его хрупкого или пластического (вязкого) разрушения; · низкая теплопроводность и высокая прочность труднообрабатываемых материалов приводят при резании к росту мощности основных источников теплоты и ее перераспределению, в основном за счет увеличения интенсивности теплового потока в сторону инструмента, что увеличивает вероятность потери формоустойчивости режущей части инструмента и ее последующего пластического разрушения; · высокая химическая активность большинства труднообрабатываемых материалов, особенно при высоких температурах резания, приводит к активизации физико-химических процессов на контактных площадках инструмента и является главной причиной интенсификации таких видов изнашивания режущего инструмента, как адгезионно-усталостный и диффузионный износы; · склонность труднообрабатываемых материалов некоторых групп к механическому упрочнению в процессе пластического деформирования при резании (наклепу) приводит к росту интенсивности абразивного изнашивания; кроме того, при упрочнении металла возрастают его упругие свойства, что приводит к увеличению упругого последействия, увеличению длины контакта задней поверхности и поверхности резания, и, как следствие, увеличивается тепловыделение за счет трения, что приводит к изнашиванию контактной площадки задней поверхности. Таким образом, встает задача получения износостойкого комплекса, разработанного с учетом специфики резания и состава инструментального материала. Одним из важнейших показателей инструментального материала в данном случае является повышенная теплостойкость, которая достигается за счет комплексного применения твердого сплава и многофункционального износостойкого покрытия. Инструментальный материал с износостойким покрытием можно рассматривать как композиционный материал с оптимальным сочетанием поверхностных (твёрдость, теплостойкость, износостойкость) и объёмных (вязкость, прочность при изгибе, сжатии) свойств [6]. Такой материал обладает балансом противоположных по эффектам свойств и может приблизиться к гипотетически «идеальному» материалу с оптимальным сочетанием твёрдости и прочности. 3. Методы нанесения износостойких покрытий Для усовершенствования поверхностных свойств инструментальных материалов применяются методы химического (Chemical Vapor Deposition - CVD) и физического (Physical Vapor Deposition - PVD) осаждения покрытий. Процессы CVD основаны на гетерогенных термохимических реакциях, приводящих к адсорбции и хемосорбции с последующим формированием соединений, образующих покрытие как в парогазовой среде окружающей инструмент, так и непосредственно на его рабочих поверхностях. Исходными продуктами служат газообразные галогениды металлов MeG, при взаимодействии которых с другими компонентами газовых смесей (H2, N2, CH3, Ar и др.) синтезируется покрытие. Для осаждения тугоплавких соединений путем водородного восстановления используют реакционные парогазовые смеси галогенидов металлов, соединений, являющихся поставщиком второго компонента и водорода, который служит одновременно газом-транспортером и восстановителем [2]. Процессы CVD часто не соответствуют стандартам экологической безопасности, осуществляются при высоких температурах (800¸1500°С) и большой длительности. Наиболее важные направления совершенствования технологий CVD связаны с созданием комбинированных процессов интегрирующих преимущества химических и физических методов синтеза покрытий. Такие методы позволяют значительно снизить температуру процессов синтеза покрытий до 200¸600°C и уменьшить время осаждения [3]. Рисунок 1. Схемы процессов физического осаждения покрытий PVD: 1 - субстрат, 2 - напряжение смещения, 3 - ионизация, 4 - полый катод, 5 - испарение или распыление, 6 - источник ионов, 7 - катод, 8 - анод, 10 - система распыления, 11 - направление потока ионов, 12 - лазерный источник, 13 - поток фотонов, 14 - активированный реакционный газ, 15 - разряд Процессы PVD основаны на генерации вещества в вакуумное пространство камеры с подачей реакционного газа (N2, O2, CH4 и др.). Различие технологий PVD состоит в принципах генерации вещества, различной степени ионизации паро-ионного потока, конструктивных и технологических особенностях установок. На рисунке 1 представлены принципиальные схемы различных устройств для реализации процессов PVD [2]: · испарение электронными пучками при высоко- (a) или низковольтном напряжении с использованием полого катода (b); · магнетронное распыление (с, d, e) с ионизацией плазменного потока различными методами - электронным лучом (с), с использованием полого катода (d) или электрического разряда (e); · распыление независимым ионным пучком (f); · испарение ионов низковольтной, сильноточной дугой (g); · систему распыления плазмой неоднородного магнитного поля (h); · испарение потоком фотонов (лазерным лучом) (i). Размер и форма инструмента, на который можно нанести покрытие при использовании методов PVD, ограничиваются только пространством вакуумной камеры и возможностями перемещения изделия в рабочей камере установки. Производительность процессов PVD превышает производительность процессов CVD в десятки раз, что связано с возможностью ускорения высокоионизированного потока или повышением его плотности. Итак, в процессах PVD переход осаждаемых металлических компонентов, ионизируемых различными способами, от твердой к паровой фазе может быть выполнен путем нагрева источника испарения (как в катодной дуге) или распылением мишени (как в магнетронном распылении). Катодная дуга и магнетронное распыление позволяют испарять металлы с различными температурами плавления, такие как Ti и Al, из Ti-Al сплавов катода/мишени (в случае магнетронного распыления источник металла называется мишенью, в случае катодно-дугового осаждения - катодом) [8]. В Таблице 1 приводится обзор типичных параметров и количество ионизированных атомов мишени для некоторых PVD-процессов. Энергия в процессе осаждения зависит от атомных масс участвующих ионизированных атомов, которые контролируют передачу импульса. Общая атомная масса участвующих ионов самая высокая в случае процесса катодно-дугового осаждения из-за возможности испарения большого процента металлических ионов из катода, результатом чего является высока эняергия осаждения и плотное покрытие. Эффективность ионного осаждения катодно-дугового метода выше, чем у обычных методов магнетронного распыления. Покрытия, полученные катодно-дуговым осаждением, также демонстрируют высокий уровень адгезии к подложке из-за эффекта ионной бомбардировки или ионного травления. Для очистки и нагрева подложки активные ионы металла в процессе ионной бомбардировки выбивают некоторые атомы металла изнутри подложки или могут проникать в решетку подложки на ангстремном (0,1 нм) уровне. Это приводит к дефектам и шероховатости подложки на атомном уровне, а такая шероховатость ответственна за улучшение адгезии покрытия [9]. Таблица 1 Типичные параметры и количество ионов мишени для различных PVD-процессов Травление мишени и очень низкая степень ионизации - два недостатка традиционного магнетронно-распылительного процесса. Степень осаждения магнетронно-распыленных (Ti,Al)N покрытий уменьшается с увеличением парциального давления N2. Это уменьшение обусловлено повышенной степенью охвата мишени абсорбированным азотом, т.е. азотированием (травлением) мишени. Для повышения степени ионизации разработаны методы высокоионизированного магнетронного распыления, позволяющие осаждать (Ti,Al)N покрытия с более высокой степенью ионизации, чем традиционные методы распыления. При магнетронном распылении с высокочастотной плазмой, плотность плазмы перед мишенью значительно возрастает, приводя к десятикратному увеличению степени ионизации металла. Осажденные покрытия в основном имеют столбчатую структуру и гладкую поверхность покрытия без присутствия макрочастиц (типичная проблема для дугового испарения). Сканирование электронной микроскопии (Scanning Electron Micrographs - SEM) (Ti,Al)N покрытий, осажденных различными PVD-процессами, выявляет различные микроструктурные характеристики (рисунок 2). (Ti,Al)N покрытия, полученные традиционным распылением (рисунок 2a), имеют открытую столбчатую структуру, которая становится более компактной и свободной от пор в случае высокоионизированных распыленных покрытий (рисунок 2b). (Ti,Al)N покрытия с дуговым осаждением также имеют свободную от пор плотную структуру, но грубую поверхность из-за наличия макрочастиц (рисунок 2c) [11]. Основным недостатком катодно-дуговых процессов является образование макрочастиц. Макрочастицы - это результат образования капель при дуговом испарении материалов с низкой температурой плавления (например, алюминия в случае (Ti,Al)N покрытий). Очень быстрое испарение при катодно-дуговых процессах производит избыток атомов, которые не полностью ионизированы при достижении поверхности подложки. Эти избыточные нейтральные атомы могут соединяться с образованными макрочастицами во время полета. Для решения этой проблемы дуга была усовершенствована путем использования «распределенного разряда через накаливаемый катод» и «усиленной дуги» [8]. Подход Колла и др. к распределению дугового разряда на теплоизолированный катод (накаливаемый катод) привел к значительному сокращению макрокапель. В другом способе Колл и др. очистили поток плазмы с помощью электромагнитного поля и устранили макрочастицы [7]. Рисунок 2. Типичная микроструктура PVD-(Ti,Al)N покрытий: (a) - осажденных обычным процессом распыления; (b) - осажденных процессом с высокой ионизацией; (c) - осажденных дуговым испарением Вон и др. использовали прямой канал фракционного фильтра для уменьшения выброса макрочастиц с катодного источника и повышения интенсивности плазмы перед катодной поверхностью. Число макрочастиц было значительно снижено при помощи катодно-дугового процесса с фильтрацией в отличие от традиционного катодно-дугового метода без фильтрации (рисунок 3) [12]. Система фильтруемого дугового осаждения (Filtered Arc Deposition - FAD), основанная на принципе «усиленной дуги», подходит для нанесения высококачественных покрытий. Рисунок 3. Улучшения в структуре покрытия в фильтруемой катодно-дуговой системе Недавняя тенденция заключается в комбинировании преимущества распыления и катодно-дугового осаждения. PVD-метод дугового распыления (Arc Bond Sputter - ABS) был разработан путем комбинирования функций управляемой катодной дуги и неустойчивых магнитных процессов. Эта методика дает покрытия с высоким уровнем адгезии, плотной структурой и обеспечивает гладкую поверхность, свободную от макрочастиц. В ABS-методике катоды могут быть испарены либо дуговым методом, либо методом распыления. В некоторых случаях принцип дуги был использован только для травления ионами металла или бомбардирования подложки перед фактическим нанесением покрытия несбалансированным магнетронным распылением. Гибридный магнитно-дуговой процесс (где магнетронное распыление чистого алюминиевого катода было объединено с катодно-дуговым испарением катода из TiAl сплава) привел к (Ti,Al)N покрытию с низким числом макрочастиц и потрясающей адгезией [8]. Донохью и др. предложили осаждение высокоактивных элементов, таких как элементы IV группы, путем способа управляемой дуги, а менее активных элементов - способом несбалансированного магнетронного распыления. Подход Донохью и др. минимизировал травление мишеней химически активными газами, особенно когда химическая активность элементов значительно отличается [10]. При нанесении покрытий важен выбор материалов катода/мишени и подложки, на которую данное покрытие наносится. В качестве параметров осаждения покрытий выступают катодный ток (в случае катода из однородного металла), напряжение смещения на подложке, парциальное давление газа, промежуточный слой между покрытием и подложкой и концентрация мощности магнетрона. Эти параметры, главным образом, влияют на состав, твердость, износостойкость и морфологию покрытия [8]. 4. Анализ методики применения износостойких покрытий для повышения эксплуатационных характеристик режущего инструмента Износостойкие покрытия позволяют решать многие задачи создания надежного инструмента, имеющего повышенную трещиностойкость, высокую прочность адгезии с субстратом, сбалансированное соотношение между твердостью и вязкостью [6]. Однако в настоящее время практически не сформулированы методические принципы получения таких покрытий. Это обусловлено тем, что при создании таких покрытий необходимо учитывать множество факторов. На сегодняшний день существует огромное разнообразие обрабатываемых материалов, и при подборе обрабатывающего инструмента необходимо учитывать специфику обработки конкретного материала. Необходимо исключить вредные взаимовлияния инструмента и обрабатываемого материала в условиях массового производства. А, как известно, на производстве должны учитываться не только технологические, но и ряд других факторов (экологические, экономические и т.п.). Процесс изучения должен происходить от параметров нанесения покрытий, выбора материала катода/мишени и подложки до влияния полученных покрытий на износ инструмента, силы резания, теплостойкость, твердость и т.д. Следует понимать, что механические свойства будут определяться общим поведением дефектов, а не связью между атомами и электронами. Даже поведение одного единственного дефекта чаще всего не имеет значения. Например, существует огромное количество микроскопических анализов деформируемого твердого тела, которые пытаются связать наблюдаемые диаграммы дефектов с механическими свойствами, характеризуемых кривыми напряжения-деформирования. Тем не менее, несмотря на огромные усилия, которые были вложены как в теоретические, так и практические работы, четкой физической картины, которая смогла бы предопределить хотя бы одну кривую напряжения-деформирования и повреждения из-за распространяющихся трещин покрытия, по-прежнему нет. Причина вполне очевидна - в пластической деформации и разрушении мы сталкиваемся с весьма нелинейными эффектами. Это явление необратимо и далеко от равновесия и, следовательно, не может рассматриваться основными подходами физики твердого тела. К счастью, ситуация меняется по двум причинам. Первая причина кроется в новых инструментальных разработках, которые позволяют микроструктурный контроль в нанометрических масштабах, часто сложной обработки. Вторая причина - в обработке стали возможны механические эксперименты при контролируемых условиях в сочетании с микроскопическими анализами для получения как структурной, так и химической информации. Это особенно актуально при разработки новых покрытий в области инженерии поверхности [4]. Таким образом, в настоящее время ведется обширная работа по анализу различных типов покрытий с различной структурой. Меняется число компонентов покрытия (популярны трехкомпонентные и четырехкомпонентные), варьируются добавочные элементы (кремний, цирконий, бор, хром, итрий), меняется число слоев покрытия (создание многослойных структур) [8]. Методика получения необходимого инструмента сводится к разработке инструментального материала оптимального состава с учетом приведенных особенностей процесса резания труднообрабатываемых материалов и износостойкого комплекса. Данный процесс можно разбить на следующие основные этапы: · выявление особенности обработки выбранного труднообрабатываемого материала; · выбор метода нанесения покрытия с учетом его параметров; · создание нескольких покрытий с различным составом для сравнительного анализа; · оценка влияния покрытий на эксплуатационные характеристики инструмента. Заключение Вопрос по составу твердого сплава и покрытия для обработки резанием труднообрабатываемых материалов стоит довольно остро. В настоящее время ведутся работы по созданию оптимального состава новых инструментальных материалов по различным направлениям: уменьшение размера зерен, нанесение многослойных композиционных покрытий с толщиной слоя в несколько нанометров и т.д. Использование инструментов с износостойкими покрытиями позволяет решить целый ряд задач технологических операций резания, связанных с повышением производительности, точности и качества обработки, снижением расхода дорогостоящих материалов. Появление новых материалов заготовок, инструментальных и пленочных материалов, эволюция сложных методов составления характеристик покрытий и постоянная потребность в высоких темпах производительности сопутствуют росту промышленного и научного интересов к дальнейшему развитию этой области.