Модель и механизмы разрушения твердосплавных инструментальных материалов с покрытиями

УДК 621.9

Модель и механизмы разрушения твердосплавных инструментальных материалов с покрытиями

Б. Я. Мокрицкий, А. К. Дзюба

В статье изложены уточненные представления о модели и механизмах разрушения твердосплавного инструмента с покрытиями. Уточнения касаются механизма образования и роста трещин в покрытии, основе (субстрате) инструментального материала и на границе слоев. Введен критерий оценки соотношения трешиностойкости покрытия и основы. Предложено рассматривать покрытие как объект, выполняющий сложную и неоднозначную роль.

Ключевые слова: трещиностойкость покрытия, работоспособность твердосплавного инструмента.

Введение

Цель работы — уточнение существующих представлений о модели хрупкого разрушения твердого сплава и об сэндвичевском механизме разрушения слоев покрытия, нанесенных на основу (субстрат) твердого сплава.

Исследователям известно многообразие моделей разрушения твердых сплавов разных групп. Наиболее исследованы три модели: хрупкое, вязкое и вязко-хрупкое. В каждой из моделей имеются свои механизмы разрушения инструментального материала. Разрушение рассматривается как многостадийный процесс исчерпания режущих возможностей металлорежущего инструмента посредством структурно-энергетической самоорганизации инструментального материала [1, 2]. Роль покрытий, наносимых на твердосплавную основу инструментального материала, разнообразна. Эффекты от нанесения покрытий хорошо иллюстрированы в работе [3]. Эффективность материала покрытия во многом определяется его работоспособностью. Этот термин для покрытия очень емкий, поэтому из всех его показателей вычленим только трещиностойкость, под которой будем понимать способность материала покрытия сопротивляться образованию и росту трещины в нем. При

этом будем учитывать качество (прочность) сцепления покрытия с основой (слоя покрытия со следующим слоем).

Далее последовательно рассмотрим особенности в представлении модели и механизмов разрушения самого твердосплавного материала и затем — покрытия на твердосплавной основе. Такая очередность неслучайна, именно она подчеркивает схожесть представлений.

Обсуждение результатов

Рассмотрим более подробно модель и механизм образования сетки трещин в инструментальном материале. В работах [4, 5], развивающих известные ранее представления, уделено внимание образованию сетки микротрещин в поверхностных слоях инструментальных материалов, которая способствует вырыву значительных объемов и интенсифицирует разрушение инструмента. В упрощенном виде это можно представить следующим образом. Одновременно с конкурированием протекает несколько механизмов, имеющих разную природу происхождения, но в итоге приводящих к образованию сетки микротрещин. Рассмотрим только два из механизмов: мезоструктур-ный и термомеханический. Мезоструктурный

метаСБМ^ТКА

Рис. 1. Образование сетки трещин по модели хрупкого разрушения сколом твердосплавного материала (фото получены проф. Ю. Г. Кабалдиным): а — две трещины в лунке износа по передней поверхности, перпендикулярные к режущей кромке; б — шлиф образца, в кадре видны три трещины, вышедшие на режущую кромку, две трещины, еще не вышедшие на режущую кромку, в центре и внизу слева видны две трещины, растущие перпендикулярно к основным трещинам и образующие сетку трещин

связан с несогласованным поворотом группы зерен по отношению к другим зернам поверхностного слоя инструментального материала (в работе [2] это названо ротационной модой деформации). Это приводит к локальному росту касательных напряжений, вызываемых фрикционными явлениями в зоне резания. В случае превышения предельных значений эти касательные напряжения приводят к образованию субмикротрещин, ориентация которых определяется вектором напряжений. Подобных очаговых (локальных) мест с такой концентрацией напряжений может быть много в пределах некоторого объема материала. Следовательно, субмикротрещин тоже может быть много и они могут пересекаться, т. е. созданы условия для образования очаговой сетки субмикротрещин.

Усиление напряжений в устьях субми-кротрещин приводит к их росту и слиянию, а затем к образованию магистральной трещины, направление и скорость роста которой формируются дефектностью структуры и вектором интенсивности напряжений. Термомеханический механизм типичен не только для прерывистого резания. Он прежде всего определен температурным фактором, а именно тем, что скорость подвода

температуры превышает скорость ее поглощения инструментальным материалом в локальном объеме, это приводит к пику термонапряжений в той структуре материала, которая менее теплопроводна (карбидные соединения). Пик термонапряжений приводит к дроблению твердой фазы сплава путем образования одной или нескольких трещин. Чем больше размер зерна, тем более вероятно образование трещины. Длина таких трещин превышает длину указанных выше субмикротрещин. Такая трещина дальше может развиваться по механизму трещины Гриффица или по смешанным механизмам. Направление этих трещин предопределено местоположением источника температуры, т. е. режущей кромкой, следовательно, трещины растут перпендикулярно к режущей кромке и образуют картину, которую обычно называют гребенкой трещин. Такие трещины появляются вблизи режущей кромки и вскоре прорастают до режущей кромки (рис. 1 [2]). Расстояние между такими трещинами невелико, и это позволяет по-иному перераспределить нагрузку на материал, возникающую в результате силового воздействия срезаемого материала. Образование гребенчатых трещин приводит к консольному креплению объемов инстру-

ментального материала, переменность силы резания ведет к циклической деформации таких консолей, происходят локализация напряжений и соответственно образование таких поперечных (поперек указанных ранее трещин, вышедших на режущую кромку) трещин, которые проходят вдоль режущей кромки и соединяют имеющиеся уже трещины, выходящие на режущую кромку. В результате образуется сетка трещин. Объем материала, очерченный трещинами, значительно легче удалить в результате действия срезаемой стружкой. Увлекаемый далее сходящей стружкой такой объем может наносить дополнительные повреждения поверхностным слоям инструментального материала.

В силу указанных причин в работе [4] образование сеток трещин в инструментальном материале и его покрытиях рассматривается оппозитно, а именно:

• образование сетки как наиболее выгодный материалу путь самоорганизации за счет пожертвования части материала ради поддержания в работоспособном состоянии остального объема материала;

• сетка как вид дефекта с наиболее простым геометрическим эффектом торможения роста трещин.

Далее предпринята попытка иллюстрировать приведенные выше представления с помощью методов механики и механики деформируемого твердого тела. Упростим схему нагружения инструментального материала до схемы свободного резания (рис. 2). (Методика

оценки трещиностойкости инструментальных материалов при свободной схеме резания подробно описана в работах профессора Ю. Г. Кабалдина.) Возможное место образования трещины назовем опасным сечением. Анализ изотерм по плоскостям А—А, Б—Б и В—В показывает, что опасное сечение лежит на середине используемой длины Ь режущей кромки, т. е. в плоскости А—А, в связи с более высокими значениями температур у режущего лезвия. Именно в этом сечении следует ожидать максимальные напряжения сжатия и растяжения соответственно в моменты нагрева (резания) и охлаждения (холостой пробег зуба фрезы) (рис. 3). При равном уровне дефектности материала инструмента термоциклическое нагружение обусловливает происхождение первой трещины именно в опасном сечении А—А. Если напряжения через устье трещины не передаются (по Гриффитсу именно так) вдоль режущей кромки, то объемы материала, заключенные между плоскостями А—А и Б—Б, а также А—А и В—В, можно с этих позиций рассматривать как изолированные друг от друга. С позиции дальнейшего термоциклического нагружения наряду с ростом трещины в сечении А—А сечения Г—Г и Д—Д следует рассматривать как очередные опасные сечения, в которых произойдет образование следующих трещин. Затем опасными сечениями станут сечения Е—Е, Ж—Ж и т. д. Расстояние между трещинами не является абсолютно строгим из-за местной дефектности материала, но в целом схема

а)

б) 850'С

1

А-к

i г

у

2,мм

¡У,мм

5-5, В-В < г

%

ф

3 У, мм

1/т

Рис. 2. Определение местоположения образования трещин: а — схема свободного резания; б — изотермы (заимствованы из работ Зорева и Силина);

1 — заготовка; 2 — инструмент

а)

г)

Сжатие

б Сжатие Растяжение б

Растяжение

Нагреб

Охлаждение

Рис. 3. Формирование трещин: а, б, в — этапы формирования трещин в последовательности образования опасных сечений; г — распределение (заимствовано из работ Зорева и Силина) напряжений в глубь материала инструмента при сжатии и растяжении

вполне адекватно укладывается в представления, приведенные на рис 1.

Именно образование трещин с малой протяженностью целых участков материала создает условия консольного расшатывания объемов материала с образованием перпендикулярных к ним трещин, выходящих на заднюю поверхность инструмента и создающих сетку трещин в двух направлениях, т. е. формируются полностью отделенные объемы, что и является следствием хрупкого разрушения сколом.

Рассмотрим теперь некоторые особенности разрушения покрытия, а именно твердого сплава с покрытием. С позиций структурно-энергетического подхода работоспособность материала покрытия предопределена предельной энергоемкостью тугоплавких фаз покрытия. Но многое определяют свойства пограничных областей (этот вопрос здесь не рассматривается).

Анализ прочности [4, 6] элементов структуры твердых сплавов показал, что наиболее слабым элементом являются межфазные и межзеренные границы. В покрытии это выражено в более явном виде, поскольку отсутствует связующая фаза. При быстрой смене условий нагружения (прерывистое резание) уровень запасенной во время реза деформации приводит к разрыву межатомных связей материала покрытия, что обусловливает образование и рост микротрещин, переходящих в трещины.

Оценка свойств материалов физическими методами показала, что механизмы раз-

рушения материала с покрытием более сложны, чем материала без покрытия. При низких скоростях резания в изломах твердых сплавов под покрытием наблюдаются меж-зеренное разрушение и скол зерен карбидов по хрупкому механизму роста трещины. Фрактограммы сколов и шлифов показывают, что трещинообразование характерно при разрушении покрытий. Исследование термостойкости покрытий показало, что природа образования трещин в покрытии преимущественно термическая, причем трещины в покрытии появляются быстрее и большим числом, чем в твердом сплаве. Это позволяет рассматривать покрытие с позиций трещинообразова-ния как дефект, внесенный в поверхностные слои твердого сплава. С ростом скорости резания сопротивляемость росту трещин в подложку увеличивается, и связано это с повышением пластичности самого покрытия и основы, при этом уменьшается роль концентраторов напряжений и растут дисси-пативные свойства, что ведет к росту хрупкой прочности.

Граница раздела покрытие—основа выступает в роли барьера. На этом барьере трещина меняет свое направление роста и распространяется по границе раздела, чем инициирует отслоение и вырыв обрабатываемым материалом конгломератов покрытия, которые далее, увлекаемые стружкой, разрушают и пропахивают остальные участки покрытия. Исследование [2] трещиностойкости покрытий методом акустической эмиссии,

новые материалы и технологии производства

экзоэлектроннои эмиссии, а также оценка диссипативности методом внутреннего трения показывают, что покрытие Т1К менее трещи-ностоИко, что связано с его столбчатоИ структурой и высокой анизотропностью.

При скоростях резания свыше 200 м/мин работоспособность твердых сплавов с покрытием возрастает в связи с перераспределением дислокаций под воздействием температуры и образованием устойчивой дислокационной структуры с высокой плотностью. При этом термическая устойчивость покрытий ТЮ выше, чем Т1К. Это объясняется большей их прочностью сцепления с основой в силу лучших условий химического взаимодействия в процессе осаждения покрытия, так как температура осаждения ТЮ выше на 300-500 °С, чем для Т1К.

Рассмотрим локальное разрушение слоистой структуры [7, 8], представляя покрытие как слой на основе инструментального материала, подверженный внешнему нагружению. Для вывода критерия оценки разрушения воспользуемся известным в механике разрушения приемом, т. е. воспользуемся тензорным рядом в напряжениях, ограничиваясь членами первой степени [9]:

паРа + паРу8а а = Ъ а, Р = 1, 2, 3.

Характеристики слоя покрытия пометим символом «п», основы — символом «Л». Соответственно перепишем уравнение (1):

п

«р «ра Л

+ п

«Р_у8 =

«Ру8стЛ °Л

= 1;

п ^аР паРаи

, „и ^аВ у8 1

+ паРу8ап ап = 1.

Представим компоненты тензоров напряжений для основы и покрытия в следующем виде:

ав ав ав ав

ст«Р = рКав; а^ = рК^Р,

пЛ Кав р2 + 2 р пав К

2паРу8 КаР К^8

1

пЛ К ав К у8 паРу8

= 0.

Аналогично запишем критерий локального разрушения покрытия:

пп КаР

2 ^ о паРКп р + 2 р -

2п5ру8 КпР

пп К ар К у8

= 0.

Решая уравнения (5) и (6) относительно параметра р, получаем:

1

р = рг = Л

п1 К аР К у8 паРу8

X

X

„Л г^аР . Ь~£ т-^аР-.2 . - Л т^аР "паРу8+ ^(паРу8) + 4паРу8

р ^Рг п ^^Р у8 паР,,8 К„ К,

X

X

"паРу8Кп (паРу8Кп ) + 4паРу8Кп Кп

где р — некоторый безразмерный параметр внешней нагрузки, р > 0; К^, К^ — коэффициенты концентрации напряжений соответственно в основе и покрытии.

Подставим представление (4) в критерий (1) и преобразуем его к более удобному виду:

Уравнения (7) и (8) являются характеристическими уравнениями для определения предельного значения безразмерного параметра внешней нагрузки. Их следует понимать следующим образом: если параметр р, характеризующий внешнюю нагрузку, меньше предельного значения рЛ критерия разрушения, то разрушения основы не происходит; если параметр р меньше величины рп, то разрушения покрытия не происходит.

Оценить возможность реализации разрушения основы или покрытия можно по соотношению предельных значений безразмерного параметра внешней нагрузки, определяющему вид разрушения:

% = Рп / РЛ

Положим, что критерий г = 1. Это является условием равнопрочности основы и покрытия

1

и служит базой для определения параметров композиции.

При 2 < 1 действующая на покрытие нагрузка р < рп меньше предельно допустимой величины рп, следовательно, прочностные характеристики покрытия достаточны, но поскольку 2 < 1, то предельные нагрузки испытывает основа по границе раздела основа— покрытие. Будет иметь место разрушение по межфазной границе путем отслоения основы. При 2 > 1, наоборот, прочностные характеристики покрытия недостаточны и будет иметь место дробление покрытия путем его растрескивания.

Из сказанного следует, что параметр 2 при известных параметрах внешней нагрузки рп и может служить критерием для определения вида разрушения и прогнозирующим параметром работоспособности инструмента с покрытием.

Решение уравнений (7) и (8) на данном этапе невозможно из-за отсутствия данных по коэффициентам Кав, К5 концентрации напряжений. Но они закладывают основу возможных в будущем расчетов по принципам механики разрушения и на данном этапе позволяют качественно оценить возможность развития разрушения по тому или иному механизму.

В подтверждение сказанному о процессах разрушения твердых сплавов с покрытиями ниже изложены отдельные сведения. Идеология выводов построена на сравнении действующих напряжений с теми разрушающими напряжениями, которые определены ранее для элементов структуры инструментального материала. Например, если известны термические напряжения в какой-то компоненте материала и они превышают прочность границ зерно—связка, то наиболее вероятно разрушение путем развития трещины по межфазным границам.

Так, изменение дислокационной структуры в покрытии и поверхностных слоях основы может быть вызвано циклической упругопласти-ческой деформацией при трении. Накопление в локальных объемах покрытия энергии упругой деформации до предельного значения приводит к их микроразрушению, т. е. работоспособность покрытий в условиях трения связана с предельной энергией

ЛЕпр тугоплавких фаз покрытия. Карбидные соединения обладают более высокой энергоемкостью, чем нитридные.

Предельная энергия тугоплавких соединений, кДж/моль, при 1273 К

ШС ZrC ТЮ ШЫ ZrN Т1Ы ыъы 171,0 155,8 129,2 125,2 123,2 113,9 104,0

Сравнительная оценка трещиностойкости инструментальных материалов по параметрам акустической эмиссии приведена в табл. 1, где N — общее число сигналов акустической эмиссии, ДN — доля импульсов, фиксируемых в период выстоя и выхода индентора, как результат разрушения и отслоения самого покрытия. Эта доля различна в общем числе N импульсов и характеризует прочность сцепления покрытия с основой. Так, данные табл. 1 показывают, что нанесение одинакового по химическому составу покрытия Т1С разными технологическими методами (ГТ или ДТ) приводит к различным трещиностойкости покрытия и прочности его сцепления с основой. Интенсивность появления трещин и их число в твердых сплавах с покрытием выше, чем без покрытия, причем у инструментов без переходного металлического слоя в покрытии и у твердых сплавов с трехслойным покрытием Т1С + Ti.CN + Т1Ы интенсивность появления трещин в начальный момент нагруже-ния чрезвычайно высока и ведет к образованию сетки трещин, что значительно облегчает

Таблица 1

Трещиностойкость образцов из инструментальных материалов по параметрам акустической эмиссии

Инструментальный материал N ДN

ВК6 + Т1Ы 94 74

ВК6 + ТЮ (ДТ) 24 10

ВК6 + ТЮ (ГТ) 54 25

ВК6 + ТЮ + ТЮЫ + Т1Ы 65 38

ВК6 + ТЮ + Zr + ZrN 24 10

ВП1125 39 13

ТТ10К8Б + ТЮ (ДТ) 16 4

ТТ10К8Б + ТЮ (ГТ) 33 11

ТТ10К8Б + ТЮ + ТЮЫ + Т1Ы 44 12

ТТ10К8Б + ТЮ + А1203 89 20

Т15К6 + Т + Т1Ы 28 6

Т15И6 + Zr + ZrN 55 10

Таблица 2

Трещиностойкость образцов с покрытием и различными основами

Параметр ВК6 + TiN ВК8 + TiN T15K6 + TiN

N 94 80 91

AN 74 32 26

дальнейший вырыв объемов покрытия с поверхности инструмента.

Данные табл. 2 свидетельствуют о важной роли тех процессов, которые происходят на границе раздела основа — покрытие и определяют механические и релаксационные свойства этой переходной зоны в теле инструмента.

Доля импульсов акустической эмиссии существенно зависит от процессов в этой переходной зоне и от трещиностойкости основы инструментального материала (табл. 3).

Уменьшение прироста числа импульсов за время выстоя и выхода индентора характеризует повышение прочности сцепления и степень пластической деформации основы.

Особую важность для инструментальных материалов с покрытием имеет термическая стойкость (стабильность). Для оценки термостойкости контролируемого инструментального материала определяли пороговое значение плотности энергии лазерного импульса Е. Пороговое значение — это такое значение плотности энергии, при котором начинается интенсивное трещинообразование на поверхности образца. Для определения порогового значения плотности лазерного импульса строили график зависимости суммарного счета N за время импульса от плотности энергии лазерного импульса или температуры нагрева образца (рис. 4). За пороговое значение принимали такое значение плотности энергии импульса Е, когда зависимость суммарного счета

Таблица 3

Прирост числа импульсов акустической эмиссии за время выстоя и выхода индентора в общем числе импульсов

Прирост числа импульсов, % Коэффициент Kic

Материал интенсивности напряжений основы

ВК6 + TiN 81 10,4

ВК8 + TiN 36 11,4

Т15К6 + TiN 24 7,2

N, имп.

1400

1000

600

200

/ /

1 23 \ —-/ /

N?,1 ~N'L2 / 1 __у__\ — ^ / vv /У

/

873 9 73 1073 1173

Температура нагрева лазерным излучением T, K

Рис. 4. Температурная (по энергии лазерного излучения) зависимость числа сигналов акустической эмиссии при воздействии лучом лазера на различные инструментальные материалы [2]: 1 — ВК8; 2 — ВК8 + TiN; 3 — ВК8 + Ti + TiN

от плотности энергии Е резко отклоняется от прямолинейного закона.

Из рис. 4 следует, что при одном уровне сигналов акустической эмиссии ее пик для инструмента с покрытием смещается в область более высоких температур, т. е. покрытия повышают термостойкость инструмента за счет большей термостойкости материала покрытия, что, на первый взгляд, должно положительно сказаться на трещиностойкости инструмента. Однако это далеко не всегда так. И в первую очередь из-за низкой теплопроводности материала покрытия и градиента теплофизических свойств на границе покрытие—основа. Свидетельством того, что термостойкость материалов покрытия недостаточна, является образование сетки микротрещин в покрытии при резании, особенно при прерывистом резании с высокими скоростями. Обычно это объясняют разницей коэффициентов термического расширения материалов

Рис. 5. Следы воздействия лучом лазера на покрытие инструмента

Рис. 6. Разрушение покрытия с образованием сетки трещин

3 4 5

2

6

Рис. 7. Схема разрушения покрытия:

1 — основа; 2 — покрытие; 3 — трещины; 4 — оголенная поверхность основы; 5 — контур режущей кромки; 6 — изношенный участок

покрытия и основы. Выше показано, что не меньшую роль играет термостойкость самого покрытия. Это следует также из сравнения сеток трещин, образующихся при резании и термоциклировании. На рис. 5 показаны следы воздействия лучом лазера на покрытие инструмента. Казалось бы, имеет место только изменение цвета покрытия. Однако это не так. Даже низкой мощности лазерного излучения достаточно для образования трещин в покрытии (рис. 6).

Исследования микрофрактограмм показывают, что трещины при типовых покрытиях в начальный период эксплуатации не прорастают в основу, образуется сетка трещин (рис. 7), конгломераты отслоившегося покрытия вовлекаются обрабатываемым материалом в движение и «пропахивают» основу, нанося глубокие борозды и существенные повреждения. В этом состоит двойная роль покрытия: с одной стороны, это средство для повышения работоспособности инструмента, с другой стороны, это

образующиеся из-за низкой термостойкости высокотвердые конгломераты покрытия, наносящие повреждения инструменту при перемещении обрабатываемым материалом.

Выводы

1. Полученные уточнения о механизме и модели хрупкого разрушения твердого сплава не противоречат экспериментальным данным и укладываются в аксиомы механики деформируемого твердого тела.

2. Трещину можно рассматривать как факт самоорганизации инструментального материала в изменившихся условиях эксплуатации, образование сетки трещин — как наиболее выгодный материалу путь самоорганизации за счет пожертвования части материала ради поддержания в работоспособном состоянии остального объема материала, саму сетку трещин — как дефект с наиболее простым геометрическим эффектом торможения роста трещин.

Литература

1. Кабалдин Ю. Г., Мокрицкий Б. Я., Молоканов Б. И.

Повышение надежности инструментального обеспечения гибких производственных систем. Комсомольск-на-Амуре, 1988. 65 с.

2. Современные методы конструирования, контроля качества и прогнозирования работоспособности режущего инструмента / Ю. Г. Кабалдин, Б. Я. Мокрицкий, Н. А. Семашко, С. П. Тараев. Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 1990. 124 с.

3. Григорьев С. Н., Смоленцев Е. В., Волосова М. А. Технология обработки концентрированными потоками энергии: учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Ст. Оскол: ТНТ, 2010. 280 с.

4. Мокрицкий Б. Я. Повышение работоспособности металлорежущего инструмента путем управления свойствами инструментального материала. Владивосток: Дальнаука, 2010. 232 с.

5. Физические методы, устройства и технологические приемы оценки качества инструментальных материалов: учеб. пособие / А. С. Верещака, В. В. Высоцкий, П. А. Саблин, Б. Я. Мокрицкий. Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 2012. 88 с.

6. Мокрицкий Б. Я., Мокрицкая Е. Б. К вопросу об управлении работоспособностью металлорежущего инструмента // Вестн. машиностроения. 1988. № 12. С. 40-47.

7. Палех Б. Л., Максимук А. В., Коровайчук И. М.

Контактные задачи для тел с покрытиями. Киев: Наукова думка, 1988. 280 с.

8. Фудзии Г., Дзако М. Механика разрушения композиционных материалов. М.: Мир, 1982. 232 с.

9. Фляйшер Г. К. К связи между трением и износом. Контактное взаимодействие твердых тел и расчет сил трения и износа. М.: Наука, 1968. 199 с.