Повышение стойкости твердосплавного инструмента методом предварительной обработки мощным ионным пучком и осаждения нитрид-титанового покрытия

Повышение стойкости твердосплавного инструмента методом предварительной обработки мощным ионным пучком и осаждения нитрид-титанового покрытия

Г.Е. Ремнев, В.А. Тарбоков

ГНУ НИИ высоких напряжений, Томск, 634050, Россия

В работе рассмотрен метод повышения стойкости твердосплавного инструмента, который заключается в осаждении износостойкого покрытия на поверхность инструмента, обработанную импульсным мощным ионным пучком. Приведены результаты исследования геометрических параметров микрорельефа, химического и фазового состава поверхности образцов из твердых сплавов, обработанных мощными ионными пучками. Обсуждаются механизмы, приводящие к увеличению адгезионной прочности износостойкого покрытия и стойкости твердосплавного инструмента с TiN покрытием.

The increase of hard-alloy tool durability by method of pretreatment with the help of high-power ion beam and deposition of nitride-titanium coating

G.E. Remnev and V.A. Tarbokov

The method of hard-alloy tool durability increase described in the paper contains the deposition of wear-resistant coating onto the tool surface treated by high-power pulsed ion beam. The investigation results of geometrical parameters of microrelief, chemical and phase composition of sample surface made of hard alloys treated by high-power ion beams are shown, and the mechanisms which cause the increase of adhesion durability of wear-resistant coating and durability of hard-alloy tool with TiN coating are discussed.

1. Введение

Наличие большого количества публикаций по упрочнению твердосплавного инструмента мощными импульсными ионными пучками (МИП) [1, 2], очистке поверхности [3], а также эффект влияния несущей способности поверхностного слоя подложки на стойкость наносимых покрытий и инструмента в целом [4] позволили сделать вывод о перспективности сочетания процессов предварительного упрочнения поверхности твердых сплавов и последующего осаждения покрытия. В нескольких работах [3, 5] путем производственных испытаний было установлено, что предварительная обработка МИП с последующим осаждением покрытия является эффективным методом улучшения стойкости твердосплавного инструмента. Стойкость твердосплавного инструмента, обработанного МИП перед нанесением покрытия типа ТЫ, возрастала до 2.5 раз при резании сталей 40Х и Р6М5 по сравнению с инструментом, на который покрытие наносилось по традиционной технологии [3].

2. Методика

Для полного цикла исследований были выбраны пятигранные режущие пластины марок Т5К10 (массовое со© Ремнев Г.Е., Тарбоков В.А., 2004

держание WC—85 %, ТІС — 5 %, Со —10 %) и ВК-8 (^С

— 92 %, Со — 8 %). Твердосплавные пластины перед осаждением покрытия ТІК обрабатывались импульсным мощным ионным пучком на ускорителе «ТЕМП» [1]. Энергия ионов — 250 кэВ, длительность импульса тока—60 нс, плотность тока—70, 100, 150 и 250 А/см2, плотность энергии при этом соответственно 1, 1.5, 2.25, 3.75 Дж/см2.

Покрытия ТІК наносились одновременно на все образцы на установке ННВ-6.6 при напряжении смещения 250 В, токе 100 А и температуре 450 °С с предварительной очисткой в течение 20 минут ионами титана при напряжении смещения 1000 В, токе 80 А и температуре 600 °С. Толщина нанесенного покрытия составила 5 ± 1 мкм.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Модифицирование поверхностного слоя

При воздействии мощного ионного пучка на поверхность материала за счет оплавления и последующей высокоскоростной кристаллизации изменяются геометрические характеристики рельефа поверхности, размеры зерен, происходит взаиморастворение составляющих твердого сплава. Оплавленный поверхностный слой

Рис. 1. Микрофотографии поперечных шлифов сплава Т5К10: исходный (а); образец, обработанный МИП 2.3 Дж/см2 (б). Шкала 10

мкм

твердого сплава до глубин в единицы микрометров и приповерхностные зерна карбида вольфрама с преимущественной ориентацией вдоль поверхности отчетливо видны на микрофотографиях поперечного шлифа, полученных методом электронной микроскопии (рис. 1, б). Поверхность шлифа была протравлена в растворе плавиковой и азотной кислот для удаления кобальтовой связки.

3.2. Изменение микрорельефа поверхности

На рис. 2 приведены зависимости наибольшей высоты профиля Rmax (рис. 2, а) и среднего арифметического отклонения профиля Ra (рис. 2, б) от плотности энергии МИП для сплавов ВК8 и Т5К10. Данные получены путем анализа поперечных сечений методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) в пяти-семи точках поверхности на базе в 16 мкм [6]. Из них видно, что вне зависимости от исходной величины микрошероховатость Ra при плотности энергии около 1.5 Дж/см2 становится практически одинаковой для образцов из сплавов ВК-8 и Т5К10 и лежит в пределах 0.15-0.2 мкм. Данная величина шероховатости лежит в пределах оптимального диапазона 0.04-0.63 мкм для нанесения покрытий методами вакуумного напыления [7].

На рис. 2 представлены также величина фрактальной размерности и относительная длина профиля поверхности для сплава ВК8 (рис. 2, в) и Т5К10 (рис. 2, г). Величина фрактальной размерности и относительная длина профиля поверхности характеризуют относительное изменение площади поверхности и длины профиля по отношению к плоской поверхности. Видно, что относительная длина профиля максимальна при плотности энергии пучка в диапазоне 1.5 Дж/см2, т.е. при данных условиях воздействия МИП поверхность сплава наиболее развита. Причем относительная длина профиля и фрактальная размерность принимают близкие значения для разных сплавов, независимо от исходных значений этих величин [8, 9].

3.3. Изменение химического и фазового состава поверхностного слоя

Вследствие воздействия пучка происходит интенсивное распыление различных соединений и отдельных

атомов с поверхности, разложение одних и образование принципиально новых, испарение, перераспределение вещества в микрообъемах поверхностного слоя [10]. В наибольшей степени происходит снижение содержания легкоплавких примесей и их соединений, а также тугоплавких веществ, слабосвязанных с основным материалом образца. Так, содержание серы уменьшается более чем в 3 раза [3]. Установлена зависимость содержания примесей от плотности энергии МИП и количества импульсов.

На рентгенограммах, приведенных на рис. 3, показаны результаты рентгенофазового анализа исходной поверхности твердого сплава (рис. 3, а) и обработанной МИП (рис. 3, б). После облучения поверхности сплава мощным ионным пучком с плотностью энергии свыше 1.5 Дж/см2 рентгенофазовый анализ показывает усложнение фазового состава приповерхностных слоев. Как для сплава ВК-8, так и для Т5К10 наблюдаются возникновение и рост одной и той же фазы, обладающей кубической решеткой с периодом 4.24 А. Данную дифракционную картину могут дать несколько возможных в поверхностном слое соединений, например, СоО, WC1-.x, W2(CO), но по совокупности признаков наиболее вероятно образование оксикарбида вольфрама W2(CO). Образование данной фазы подтверждается изменением интенсивности оже-пиков кислорода и углерода в поверхностном слое.

Образование в поверхностном слое твердого сплава данной фазы делает возможным эпитаксиальный рост осаждаемого покрытия ТЫ, который имеет такую же кубическую решетку с тем же периодом.

3.4. Микротвердость

Зависимость микротвердости облученной поверхности от плотности энергии МИП имеет незначительно выраженный максимум при плотности энергии ионного пучка в диапазоне 1.5-2.3 Дж/см2 для сплава ВК-8 и 1-1.5 Дж/см2 для сплава Т5К10 [11]. Рост средней микротвердости на 10-15 % и упругости поверхности при данных режимах облучения объясняется упрочнением межфазных границ за счет пересыщения карбидной фазой материала кобальтовой связки при быстром охлаж-

Плотность энергии МИП, Дж/см2

*

Плотность энергии МИП, Дж/см2 Рис. 2. Геометрические характеристики поверхности

ВК8 и Т5К10 в зависимости от плотности энергии МИП

дении поверхностного слоя после окончания импульса и совершенствованием кристаллической структуры карбидных зерен, которое проявляется в сужении пиков

ВК-8

исходный

\Л/С

ВК-8

МИП 3.75 Дж/см2

1 р.

8 УУС

э 40

т 1 А

1 о 1 о

о о

вГ

Ц\У

\Л

Рис. 3. Изменение фазового состава поверхностного слоя сплава ВК8 после воздействия МИП 3.7 Дж/см2

карбида вольфрама на рентгенограммах и проявлении большого количества полос скольжения и ступенек дислокаций на поверхности зерен, видимых на СТМ-изображениях при высоком разрешении [9].

3.5. Результаты скретч-теста

В работах [11, 12] представлены результаты обработки данных скретч-теста при разрушении покрытия, осажденного на сплавы ВК-8 и Т5К10. Из них следует, что наибольшее увеличение стойкости до начала разрушения покрытия наблюдается для образцов, которые перед нанесением покрытия были обработаны МИП с плотностью энергии 1.5-2.3 Дж/см2. Увеличение значения нагрузки начала разрушения достигает 30 %.

Сила трения индентора снижается до 20 % на участках износа, предшествующих началу разрушения покрытия. Эта зависимость наблюдается для обоих видов исследованных сплавов [11]. Характер разрушения покрытия также изменяется. На не обработанных МИП образцах наблюдались сколы участков покрытия, которых на образцах, обработанных МИП, зарегистрировано не было [12]. Отсутствие сколов свидетельствует об изменении характера разрушения с преимущественно адгезионного на когезионный.

3.6. Взаимосвязь факторов, приводящих

к увеличению стойкости твердосплавного инструмента с износостойким покрытием

Воздействие мощного ионного пучка приводит к упрочнению межфазных границ за счет взаиморастворе-

05000502020217000202080700262255000004110402020508110105030108020630010619170000040126003301

ния карбида вольфрама и кобальтовой связки. Происходит рост микротвердости и упругости поверхностного слоя как за счет высокоскоростной закалки при охлаждении поверхности после импульса, так и за счет совершенствования кристаллической структуры, о чем свидетельствуют сужение пиков карбида вольфрама на рентгенограммах, проявление полос скольжения и образование большого количества ступенек дислокаций на поверхности зерен. В результате возрастает несущая способность поверхностного слоя.

Изменение фазового состава поверхностного слоя с образованием фазы, имеющей параметры решетки, идентичные нитриду титана, в сочетании с очисткой поверхности от загрязнений и формированием развитого рельефа с оптимальными параметрами шероховатости приводит к росту числа адгезионных взаимодействий между покрытием и подложкой. Совместное действие этих факторов приводит к возрастанию адгезионной прочности нитрид-титанового покрытия, осаждаемого на обработанный МИП твердосплавный инструмент, и, как результат, к увеличению стойкости инструмента.

3.7. Совмещенная технология упрочнения режущего инструмента

В работах [6, 8, 11, 12] описаны результаты модифицирования поверхности твердосплавного инструмента МИП и последующего осаждения износостойкого покрытия, осуществляемых как последовательные технологические процессы. Совмещение двух технологических процессов в одном вакуумном объеме позволит получить ряд преимуществ по сравнению с раздельной технологией, в частности:

- снизить суммарную стоимость оборудования за счет исключения дублирующих систем и сократить время обработки;

- значительно усилить эффект очистки поверхности изделий мощным ионным пучком за счет исключения контакта с атмосферой между технологическими процессами обработки ионным пучком и осаждения покрытия.

Обработка ионным пучком в процессе осаждения покрытия позволит осуществить как перемешивание покрытия с материалом подложки, что приведет к дополнительному увеличению адгезии, так и обработку растущего слоя покрытия с целью увеличения плотности покрытия и увеличения его когезионной прочности. Кроме того, обработка мощным ионным пучком после осаждения покрытия приводит к частичной аморфиза-ции приповерхностных слоев покрытия, формированию нанокристаллической структуры, росту его микротвердости, следствием чего является улучшение трибологических качеств инструмента с износостойкими покрытиями [13]. Данный технологический процесс может быть применен к различным видам покрытий.

4. Выводы

Воздействие мощного ионного пучка для обработки поверхности изделий в отличие от традиционных методов, характеризуется одновременным модифицированием геометрических характеристик рельефа, размеров зерен, дефектной и фазовой структуры поверхностного слоя металлических материалов, как следствие этого, изменением прочностных характеристик, а также эффективной очисткой поверхности от загрязнений. В результате повышаются адгезионная прочность осаждаемого покрытия и стойкость твердосплавного инструмента с покрытием.

Литература

1. Remnev G.E., Isakov I.F., Opekounov M.S., Kotlyarevsky G.I., Kutuzov V.L., Lopatin V.S., Matvienko V.M., Ovsyannikov M.Yu., PotyomkinA. V, Tarbokov VA. High power ion beam sources for industrial application // Surface and Coatings Technology. - 1997. - V. 96. - No. 1. -P. 103-109.

2. Диденко А.Н., Лигачев А.Е., Нестеренко В.П., Ремнев Г.Е. и др. Про-

цессы упрочнения и повышения эксплуатационных характеристик сплавов, облученных мощными ионными пучками // Тезисы докладов. - № 4. - C. 163-165.

3. Нестеренко В.П., Ремнев Г.Е., Арефьев К.П., Исаков И.Ф., Тарбоков В.А. Влияние импульсной обработки твердых сплавов мощным ионным пучком на процесс нанесения износостойких покрытий // Физика и химия обработки материалов. - 2000. - № 3. - C. 39^4.

4. Сулима А.М. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин // Поверхностный слой, точность, эксплуатационные свойства деталей машин и приборов: Материалы семинара. - М.: МДНТП, 1986. - С. 56-60.

5. А.С. № 1468017 от 14.08.1986 г. / И.Ф. Исаков, Р.Ф. Калмыков, В.М. Нестеренко и др. Способ нанесения покрытия на изделия из металлов.

6. Ремнев Г.Е., Тарбоков В.А., Кузнецов П.В. Структурно-фазовые изменения в поверхностном слое твердосплавного инструмента при воздействии мощного ионного пучка // Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах: Труды III международной конференции. - Томск, Россия, 2002. - С. 369-370.

7. Бойцов А.Г., Машков В.Н., Смоленцев В.А., Хворостухин Л.А. Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами. -М.: Машиностроение, 1991. - 144 с.

8. Remnev G.E., Tarbokov V.A., Makeyev V.A. Hard alloy surface layer mo-

dification after various ion current density high power treatment // European Pulsed Power Symposium. - Saint Louis, France, 2002. -P. 18, 46/5.

9. Тарбоков В.А., Ремнев Г.Е., Кузнецов П.В. Модифицирование твердосплавных пластин на основе карбида вольфрама импульсным мощным ионным пучком // Физика и химия обработки материалов. -2004. - № 3. - C. 11-17.

10. Диаграммы состояния металлических систем: В 2-x ч. / Под ред. Н.И. Ганина. - М., 1991.

11. Remnev G.E., Tarbokov V.A. The intense pulsed ion beam treatment and the nitride-titanic coating of hard alloy for cutting tool // 4th Int. Symp. on Pulse Power and Plasma Application. - Nagaoka, Japan, 2003. - Р. 100104.

12. Тарбоков В.А., Ремнев Г.Е. Влияние предварительной обработки твердосплавных режущих пластин импульсным мощным ионным пучком на характер изнашивания и разрушения TiN покрытия // Труды 12-й Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов. - Томск, 2003. - С. 461^465.

13. PoleshenkoK.N., Remnev G.E., Ivanov Y.F., Tarbokov V.A., BaboyA.O., Povoroznuk S.N., Vershinin G.A., Prokudina N.A. Combined tool hard alloy modification using high-power ion beams // Proceedings of 5th Conference on Modifications of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. - Tomsk, 2000. - P. 279-282.