Выявление особенностей нанопокрытий
МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
Объект исследования: инструмент с нанопокрытием в современном машиностроении.
Результаты, полученные лично автором: анализ преимуществ и недостатков нанопокрытий в современном машиностроении.
При резании металлов возникают сложные физико-химические процессы, протекающие при больших давлениях, высоких температурах и на относительно малых поверхностях контакта. Механизм изнашивания инструмента при резании очень сложен, его можно подразделить на абразивный, адгезионный (молекулярный) и диффузионный.
Наиболее эффективным методом позволяющим препятствовать механизмам износа, является модификации поверхностных свойств инструментального материала, одна из которых нанесение нанопокрытий на рабочие поверхности режущего инструмента.
Материалы покрытий обладают высокой твердостью и износостойкостью. Нанесение тонких твердых покрытий на рабочие поверхности режущего инструмента из инструментальных сталей и твердых сплавов позволяет снизить силу трения при резании конструкционных сталей на 20-50 %, уменьшить коэффициент усадки стружки и усилия резания на 15-20%, снизить температуру при резании, увеличить срок службы до 10 раз, и исключить смазочно-охлаждающую жидкость из технологического процесса.
В настоящее время известно много вариантов нанопокрытий, различающихся по составу (карбиды, нитриды и карбонитриды титана, молибдена, циркония, гафния, ванадия, ниобия, хрома, окись алюминия, кубические нитриды бора и др.), количеству и толщинам слоев (одно, двух и многослойных толщиной от 3 до 23 мкм), технологии нанесения покрытий.
CVD-покрытия (химическое осаждение из газовой фазы). В этом методе материал покрытия осаждается на поверхности обрабатываемых изделий из газовой среды (кислород, азот, углеводороды).Суммарная толщина слоев в данном методе может достигать 20-25мкм, это главное преимущество этого метода. Но, данный метод сегодня используется крайне редко по двум причинам:
1. низкая адгезия покрытия и, как следствие, ухудшение механических свойств основы. Несмотря на то, что диапазон скорости резания будет существенно выше, и, соответственно, выше производительность, низкая прочность основы уже не позволит использовать инструмент для работы в тяжелых условиях;
2. ограничения по остроте режущей кромки. Химическое осаждение проходит быстрее на острых краях, поэтому их необходимо скруглять, чтобы толщина слоя была равномерной.
PVD-покрытия (физическое осаждение из паровой фазы) лишены всех этих недостатков . Как следует из названия, метод имеет физическую природу. Материал покрытия переходит в газовую фазу из твердого состояния, с последующим осаждением на обрабатываемом материале. Данный метод обладает высокой производительностью и достаточно прост с технологической точки зрения. Простейшие однослойные PVD покрытия TiN сейчас применяются для метчиков и быстрорежущих фрез средней производительности, используемых для обработки простых материалов на низких скоростях.
Больший эффект был достигнут от внедрения многослойных покрытий СVD, Возьмем, к примеру, довольно распространенный вид покрытия TiCN-Al203-TiN. В нем каждый слой несет свою функцию: TiCN служит в качестве связки между основным слоем и поверхностью инструмента, слой оксида алюминия (Al203) как очень простое химическое соединение с высокой химической инертностью и температурной стабильностью, является идеальным компонентом покрытия для защиты твердого сплава от воздействия высокой температуры и химических видов износа, а TiN обладает высокой твердостью и износостойкостью.
В будущем, следует ожидать разработки СVD покрытий с оксидом циркония ZrO2. Как показывают опыты, этот материал может препятствовать диффузии компонентов твердого слава в обрабатываемый материал при высоких температурах в 26 раз более эффективно, чем оксид алюминия. При этом он обладает высокой твердостью. Однако, пока не удается получить этот оксид в кристаллической форме для покрытий.
Отличающимся от вышеописанных, но также относящийся к классу PVD, является покрытие DLC (Diamond Like Coatings). Получаемые при этом углеродные нанопленки близки по свойствам к алмазу. Такие покрытия обладают очень высокой, превосходящей до 50 раз другие типы покрытий абразивной износостойкостью, однако сильно подвержены хрупкому разрушению вследствие возникновения внутренних напряжений. При их использовании обязательно применение охлаждающих жидкостей так как температурная стабильность и стойкость к окислению ограничены величиной 300 °С, что недостаточно для большинства случаев металлообработки, за исключением резания алюминия и силумина. Но, благодаря своей абразивной стойкости покрытия, DLC показывают хорошие результаты при обработке резанием различных композиционных материалов на основе стекло- и угле- наполненных пластиков, находящих все более широкое применение в технике.
Материал поступил в редколлегию 03.05.2017
УДК 004.414
А.С. Латышева
Научные руководители доценты кафедры «Технология машиностроения», к.т.н. Е.А. Польский, к.т.н. С.В.Сорокин