Исследование влияния параметров нанесения покрытия на характеристики и работоспособность мездрильного дискового ножа из 9ХФ

УДК 621.9

И. И. Васильев, И. Ш. Абдуллин ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ И РАБОТОСПОСОБНОСТЬ МЕЗДРИЛЬНОГО ДИСКОВОГО НОЖА ИЗ 9ХФ

Ключевые слова: ионно-плазменное нанесение, сталь 9ХФ от мездрильного ножа, нитридтитановое покрытие, металлографический анализ, параметры нанесения покрытия, производственные испытания.

Исследовано влияние давления реагирующего газа на характеристики покрытия и времени нанесения на толщину покрытия. Показано, что после нанесения покрытия у дискового мездрильного ножа износостойкость повышается в 2 раза.

Keywords: physical vapour deposition, the steel 9CrV on fleshing knife, TiN, metallographic analysis, the parameters of the

deposition, production testing.

The investigated the influence of reactive gas pressure on the characteristics of the coating and the time of application to the coating thickness. It is shown that after coating a disk knife wear resistance is increased by 2 times.

Основными параметрами ионно-плазменной обработки, существенно влияющими на структуру и свойства покрытий системы титан-азот являются: давление реакционного газа (азота), ток дуги, потенциал смещения, температура подложки, время обработки и геометрия расположения образцов в вакуумной камере. Давление реакционного газа определяет, в первую очередь, формирование состава получаемых покрытий - элементного и фазового. Величина тока дуги влияет на содержание в ионноплазменном потоке, возникающего при эрозии титанового катода, кластеров, макро- и микрочастиц капельной фазы. От изменения потенциала смещения (опорного напряжения) существенно зависит скорость роста пленки. При этом меняются микроструктура, твердость и величина микро- и макронапряжений модифицированной ионно-плазменными потоками поверхности. Температура конденсации также определяет микроструктуру и величину остаточных напряжений.

Процесс формирования покрытия протекает в две стадии. На первой к инструменту прикладывается напряжение порядка 1,0-1,5 кВ при давлении в вакуумной камере порядка 10-4 мм.рт.ст. В результате ионной бомбардировки происходит очистка, активация и разогрев поверхности инструмента. Оптимальная температура изделий при напылении с точки зрения высоких адгезионных свойств покрытия составляет 200-700 °С [1,2]. В то же время надо учитывать температуру отпуска подложки, например, для стали 9ХФ она составляет примерно 250ОС. На второй стадии в камеру поступает реактивный газ, напряжение на инструменте снижается до 100-200 В и происходит собственно процесс осаждения покрытия за счет прохождения плазмохимических реакций.

Из литературных источников [3, 4, 5] известно, что потенциал основы в пределах 20-400В не влияет на основные физико-механические характеристики покрытия, оказывая влияние только на толщину покрытия. При опорных напряжениях до 20 и выше 400 В микротвердость незначительно снижается, поэтому оптимальное значение опорного напряжения находится в пределах 20-400 В.

Увеличение тока разряда дуги приводит к увеличению толщины покрытия, однако при

возрастании тока свыше 110 А снижается совершенство структуры и резко повышается

количество капельной фазы а-Л, которая является причиной снижения прочности сцепления подложки с покрытием. При малой мощности разряда (ток дуги <60 А) из-за уменьшения коэффициента ионизации плазмы в пленку «замуровываются» нейтральные частицы реакционного газа и титана, что способствует повышению концентрации дефектов

покрытия(а-Л, пористости, наплывов).

Время процесса напыления в соответствии с островковой моделью нанесения покрытий

нелинейно увеличивает толщину покрытия: в

начальный момент роста пленка формируется в виде островков и интенсивность отражения частиц от подложки сравнительно мала; при дальнейшем росте островки начинают сливаться, доля покрытой поверхности увеличивается и увеличивается равновероятность прохождения процессов осаждения и распыления покрытия. Следовательно, толщина покрытия интенсивно

возрастает в течение первых 1,5-2 минут, а в дальнейшем ее рост замедляется (рисунок 1). При увеличении толщины пленки ухудшаются морфологические свойства покрытия, поэтому максимум прочностных характеристик приходится на ее размер в пределах 5-10 мкм [3].

15 35 55 75

Время нанесеній, мім Рис. 1 - График зависимости толщины покрытия от времени конденсации

С изменением давления азота в камере цвет покрытия образцов изменяется от светло-золотисто-желтого(Р = 0,05 Па) до темно-золотисто-желтого(Р = 1,0 Па). У образца, напыленного при Р = 0,05 Па, цвет

покрытия светло-серо-желтый. При низком давлении азота (Р = 0,03-0,1 Па) образуются плотные бестекстурные беспористые покрытия с большим содержанием капельной фазы, которая в случае расположения на границе конденсат - подложка является причиной снижения прочности их

сцепления. Такое большое содержание капельной фазы объясняется снижением реакционной

способности азота и увеличением длины свободного пробега ионов титана при низких значениях давления реакционного газа. При давлении азота Р = 0,1-0,5 Па формируется мелкая плотная текстура, близкая к стехиометрическому составу ЛЫ, которая

характеризуется оптимальным, с точки зрения металлических свойств, соотношением металлической и ионной составляющих связи. При этом содержание капельной фазы уменьшается, а количество пор и отслоений увеличивается. При дальнейшем повышении давления большое число свободных

ионов азота приводит к резкому увеличению количества пор и отслоений. Это косвенно

доказывается с изменением микротвердости покрытия на рисунке 2.

2500

£ * 500

н

о

Л о -I———————————

2 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

Давление азота, Па

Рис. 2 - Зависимость микротвердости ПК -покрытия от давления азота

Проанализировав результаты исследования, можно сделать вывод о том, что образцы, полученные при давлении азота Р = 0,1-0,45 Па, имеют наиболее равномерно распределенную мелкую плотную структуру, минимальное содержание капельной фазы, пор, наплывов, отслоений и наибольшие значения микротвердости (рисунок) и, следовательно, будут наиболее работоспособны при использовании на режущих инструментах.

Для определения ресурса работы покрытия наносили на дисковые ножи от мездрильной машины ДМ-3М. Величины всех параметров нанесения покрытия приведены в таблице 1. Параметры определены на ранее проведенных работах [5].

Из рис. 3 видно, что образец имеет структуру мартенсит и остаточный аустенит, структура не меняются по толщине. Это говорит об умеренном температурном воздействии при нанесении покрытия. Толщина покрытия составляет около 4 мкм.

Испытания проходили на ОАО «Мелита» в производственных условиях. Ножи с

нитридтитановым покрытием были переданы в

мездрильные и строгальные цеха ОАО «Мелита», где мездрировали и строгали шкурки норки и кролика. Результаты испытаний показаны в таблице 2.

Таблица 1- Параметры нанесения покрытий

Технологический процесс Очистка ионной бомбарди- ровкой Нанесение покрытия

Материал катода Ті Ті

Материал покрытия - ТіИ +наноТіО2

Ток дуги, А 2х65+5 2х65+3

Давление в камере, мм.рт.ст. (2-3)-10-4 (1-2)-10-3

Время конденсации, мин. 5-10 50

Опорное напряжение, В 600-1100 150

Ионный ток, А 1-3 0,5-2

Скорость вращения, об/мин 1,8 1,8

Средняя яркостная температура, ОС 250-300 200-250

После нанесения покрытия на образцах из стали 9ХФ определяли структуру и микротвердость поперечного среза.

Рис. 3 - Поперечный срез образца из 9ХФ с нитридтитановым покрытием

Таблица 2 - Результаты испытаний дискового ножа.

Операци и Затупление ножа, число шкурок

Без покрытия С покрытием

норка кролик норка кролик

Мездрение. После процесса отмоки 180-205 206-220 340-380 350-380

Строгание. После процесса дубления 110-120 115-130 240-250 260-290

Из данных приведенных в таблице 2 видно, что покрытие защищает нож от износа и повышает его стойкость.

Таким образом, из анализа данных исследований нанесения покрытия можно сказать, что максимум прочностных характеристик приходится на ее размер в пределах 5-10 мкм, образцы, полученные при давлении азота Р = 0,1-0,45 Па, имеют наиболее равномерно распределенную мелкую плотную структуру, минимальное содержание капельной фазы, пор, наплывов, отслоений, наибольшие значения микротвердости и с повышенной износостойкостью.

Литература

1. Обеспечение качества и улучшение характеристик режущих инструментов/ В.А. Бондаренко, С.И. Богодухов.- М.: Машиностроение, 2000.- 144 с.

2. Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент/Ю. Н. Внуков, А.А. Марков, Л.В.Лаврова, Н.Ю.Бердышев.-Киев: Тэхника, 1992. -143 с.

3. Справочник оператора установок по нанесению

покрытий в вакууме/ А.И. Костржицкий, В.Ф. Карпов, М.П. Кабанченко, О.Н. Соловьева. - М.:

Машиностроение, 1991. - 176 с.: ил.

4. Physical Vapor Deposition. [Электронный ресурс] -

Режим доступа:

http://www.ionbond.com/dynasite.cfm? dsmid=83917

5. Васильев И.И., Миронов М.М., Гребенщикова М.М. Плазменные конденсаты нитридной керамики с упрочняющей нанофазой. Вестник Казанского национального исследовательского технологического университета. - 2012.- №11 - С.63.

© И. И. Васильев - асп. КНИТУ, ilham.v@ya.ru; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru.

30