Выбор износостойкого покрытия и метода его нанесения

Одним и наиболее важным показателем эксплуатации режущего инструмента является его работоспособность, определяющая состояние, при котором режущий инструмент выполняет свою работу, имея износ рабочих поверхностей, меньший критического значения. Обеспечить максимизацию работоспособности, значит повысить рост производительности труда, сэкономить дорогостоящий материал, энергию и трудовые ресурсы. Для этого применяют износостойкие покрытия, обеспечивающие сопротивление абразивному, адгезионному, коррозийно-окислительному и т.д. видам износа как при комнатной, так и при повышенной температурах.

Абсолютное большинство инструментальных фирм предлагает базовые универсальные покрытия. Как правило, они различаются по цвету, и опытный пользователь всегда может определить, что именно нанесено на инструмент. В таблице 5 представлены лишь некоторые основные виды современных покрытий с указанием важнейших характеристик и цвета. Полный перечень основных износостойких покрытий можно найти в [2].

См. Приложение А.

Как видно из приведённой таблицы [2], покрытий достаточно много. В настоящее время в практике производства режущих инструментов все чаще используют многослойные покрытия на основе одинарных, двойных и тройных соединений тугоплавких металлов. Данные покрытия достаточно хорошо удовлетворяют комплексу требований предъявляемых к покрытию, а именно [3] исходя из общих эксплуатационных требований, покрытие должно быть: устойчивым против коррозии и окисления; сохранять свои свойства при высоких температурах; не иметь дефектов (пор, включений); обладать высоким пределом выносливости. В связи со служебным назначением покрытия должны иметь: твердость в 1,5–2 раза превышающую твердость инструментального материала; низкую склонность к адгезии с обрабатываемым материалом; минимальную способность к диффузионному растворению в обрабатываемом материале.

Многослойно-композиционное покрытие содержит несколько слоев, каждый из которых имеет собственное функциональное назначение [3] рисунок 10.

Рисунок 10 – Идеализированная схема многослойного покрытия: I – режущий инструмент, II – заготовка

Основных слоя всего 3. Слой 5 – диффузионный термостабильный слой. Кристаллохимическое строение этого слоя и инструментального материала должно быть максимально идентично, а термостабильность данного слоя препятствует разрушению покрытия на границе раздела – «покрытие – инструментальная основа». Основную функцию выполняет слой 1. При выборе свойств материала слоя 1, необходимо, что бы его кристалохимическое строение максимально отличалось от соответствующего строения обрабатываемого материала. Кроме того, варьируя составом, структурой и строением слоя 1, можно, в известных пределах изменять его свойства и, таким образом, управлять контактными процессами и стружнообразованием при резании. Слой 3 может выполнять барьерные функции, например существенно замедлять интердиффузионные процессы между инструментальным и обрабатываемым материалами, снижать интенсивность теплового потока в инструмент и т.д. Промежуточные слои 2 и 4 с переменными свойствами осуществляют связь между слоями 1,3 и 3, 5.

В наибольшей степени требованиям к покрытиям для режущего инструмента удовлетворяют соединения тугоплавких d-переходных металлов IV-VI, что обусловлено особенностями их кристаллохимического строения. Для соединений металлов IV группы (Ti, Zr, Hf) характерно образование тугоплавких соединений с элементами внедрения (B, C, N, O) достаточно простой структуры. Соединения этой группы металлов имеют чрезвычайно высокую термодинамическую устойчивость, тугоплавкость, твёрдость. Поэтому при нанесении на рабочие поверхности инструмента они обеспечивают значительный рост износостойкости инструмента. Кроме того, большинство соединений переходных металлов имеют широкую область гомогенности, что позволяет в зависимости от содержания в них элементов внедрения B, C, N, O в достаточно большой степени изменять их физико-механические свойства. Последнее обстоятельство очень важно с точки зрения возможности варьирования свойств покрытий, в зависимости от условий применения режущего инструмента.

Так как заточка протяжки является очень трудоёмкой операцией и требует специального оборудования, то применение многослойного износостойкого покрытия является актуальной задачей для данного инструмента, так как применение многослойного износостойкого покрытия увеличит срок службы инструмента.

Состав и свойства износостойких покрытий так же, в значительной степени зависят от технологии их нанесения [4]. Методы создания таких покрытий посредством осаждения делятся на физические (PVD) и химические (CVD). Внутри этих двух групп существует достаточно большое число методов нанесения покрытий, в том числе комбинированных или методов с поддержкой или активацией процесса от других источников энергии.

При физическом осаждении (PVD) материал покрытия переходит из твердого состояния в газовую фазу в результате испарения под воздействием тепловой энергии или в результате распыления за счет кинетической энергии столкновения частиц материала. Энергия, распределение и плотность потока частиц определяются методом нанесения, параметрми процесса и формой источника частиц. Нанесение покрытий методом PVВ проводится при температуре до 450 Сº, что практически не накладывает ограничения по используемым материалам на которые наносится покрытие. Это особенно важно при нанесении покрытия на быстрорежущую сталь так как температура процесса не превышает температуру отпуска закаленной стали (около 550 Сº). PVD-процессы проводят в вакууме или в атмосфере рабочего газа при достаточно низком давлении (около 10-2 мбар). Это необходимо для облегчения переноса частиц от источника (мишени) к изделию (подложке) при минимальном количестве столкновений с атомами или молекулами газа. Это же условие определяет обязательность прямого потока частиц. В результате покрытие наносится только на ту часть изделия которая ориентирована к источнику частиц. Скорость осаждения зависит в этом случае от относительного расположения источника и материала. Для равномерного нанесения покрытия необходимо систематизированное движение материала или применение нескольких определенным образом расположенных источников. В то же время, поскольку покрытие наносится только на поверхности "в прямой видимости источника" метод позволяет селективно наносить покрытие только на определенные части поверхности оставляя другие без нанесенного слоя. Это абсолютно невозможно при использовании метода химического осаждения (CVD). Основными факторами определяющими качество покрытия нанесенного методом физического осаждения являются чистота исходных материалов и реакционного газа а также необходимый уровень вакуума.

При использовании CVD-метода химические реакции происходят в непосредственной близости или на поверхности обрабатываемого материала. В противоположность процессам PVD при которых, твердые материалы покрытия переводятся в газообразную фазу испарением или распылением, при CVD-процессе в камеру для нанесения покрытия подается смесь газов, причем для протекания необходимых химических реакций требуется температура до 1100º. Это условие существенно ограничивает число материалов, на которые можно нанести CVD-покрытие. Если твердые сплавы выдерживают такой нагрев практически без последствий, то термообработанные быстрорежущие стали теряют в результате отпуска свои свойства.

Процессы CVD происходят при давлениях 100 – 1000 Па. Покрытие наносится на всю поверхность изделия. Отпадает необходимость вращения изделия как при методе PVD. Это одно из преимуществ CVD. Для получения одинаковых свойств всего покрытия в объеме рабочей камеры (особенно большой) необходимо обеспечить оптимальные потоки газа. С этой целью применяются специальные системы подачи газа, так называемый газовый душ. Установки CVD как правило имеют достаточно большие габариты. Для предотвращения опасных выбросов газов в атмосферу используется специальная система фильтров. Благодаря высокой температуре нанесения обеспечивающей частичную диффузию наносимого материала в основу, покрытия CVD характеризуются лучшей адгезией (сцепляемостью).

Недавно была разработана еще одна разновидность метода CVD, позволившая снизить температуру нанесения покрытия практически до температур используемых в PVD-методе, получившая название P-CVD (от слов "плазма" и CVD). Практически метод представляет собой комбинацию двух основных методов поскольку нанесение покрытий CVD-методом происходит в среде плазмы (как при PVD). Схема установки для нанесения покрытий методом плазменного CVD представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 – Принципиальная схема установки PCVD

Рисунок 12 характеризует выбор метода нанесения износостойкого покрытия в зависимости от материала и температуры применения метода.

Рисунок 12 – Выбор метода нанесения покрытия

Основываясь на рекомендациях [4], для нанесения покрытия выбираем метод PCVD. Так как этот метод нанесения не требует высоких температур.

Метод PCVD устраняет некоторые ограничения присущие традиционному CVD-методу.

Для начала химических реакций используется не высокая температура, а наличие в рабочей камере плазмы. Плазма оказывает каталитическое воздействие и концентрирует энергию. В результате процессы могут протекать при более низких температурах. С помощью РCVD-метода, в зависимости от подводимого газа, можно наносить карбидные, нитридные и карбонитридные покрытия при температурах 400 – 500 Cº. В отличие от обычных покрытий CVD в этом случае практически отсутствует снижение вязкости в граничной зоне между сплавом и покрытием. По сравнению с покрытиями, полученными по методу PVD, эти покрытия имеют лучшую адгезию и меньшие внутренние напряжения. Кроме того отпадает необходимость в особом расположении изделий для получения равномерного покрытия.