Комбинированные покрытия для повышения трибологических свойств и износостойкости инструмента из быстрорежущей стали

УДК 621.9.025.7

А. С. Верещака, Л. Ш. Шустер, М. Ш. Мигранов, С. М. Минигалеев,

Г. С. Фукс-Рабинович

КОМБИНИРОВАННЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ

Приведены результаты экспериментальных исследований износостойкости и три-ботехнических свойств многослойных износостойких покрытий для режущего интсру-мента из быстрорежущей стали, а также изменения структурно-фазовых составляющих контактных поверхностей. Установлено, что при резании в результате самоорганизации одновременно происходят следующие явления: триборасщепление (распад) тонкого поверхностного слоя, формирование стойкого аморфно-подобного защитного слоя на инструментальной поверхности.

Введение

Сравнительно недавно «комбинированные» покрытия стали одним из наиболее эффективных способов повышения износостойкости режущих инструментов из быстрорежущей стали. «Комбинированные» покрытия включают в себя физически осажденный слой из нитрида титана, нанесенный на предварительно азотированный субстрат из быстрорежущей стали. Режущие инструменты из быстрорежущей стали с такими покрытиями сочетают в себе высокую износо-стойкость поверхности (износостойкость инструмента повышается в 1,5-2 раза [1 ]) и достаточную прочность. Однако, покрытия, как хрупкие материалы, подвержены значительному повреждению во время приработки. Зачастую большая часть покрытия разрушается во время этой фазы износа, т.е. еще до начала нормальной стадии износа. Повреждение первоначальной поверхности часто приводит к значительному снижению износостойкости всего покрытия. По этой причине наружный слой, с высокими антифрикционными свойствами, является важным компонентом, который может быть использован для защиты всего покрытия. Определение состава и нанесение наружного слоя является одним из наиболее важных задач получения износостойких покрытий на режущих инструментах, работающих при низких и умеренных скоростях резания, а также для обработки труднообрабатываемых материалов, при которой преобладает адгезионный износ. Этого можно достичь, например, путем применения самосмазывающихся многослойных покрытий. При этом наружные слои могут иметь сложную микроструктуру, которая способствуют рассеиванию энергии (например, покрытия типа Т1Д1 Ы-Мо32). Одним из наиболее эффективных покрытий такого типа является многослойное покрытие на основе системы

TiA1N/WC-C с твердой смазкой, созданное компанией «Balzers». Основное преимущество такого покрытия состоит в очень низкой интенсивности приработочного изнашивания инструмента в процессе резания, что ведет к значительному повышению его износостойкости. Некоторые оксиды, такие, например, как WO3, V2O5, ТЮ2, как было обнаружено в работе [2], имеют хорошие триболо-гические свойства при высоких температурах. Эти перспективные материалы, выступающие как твердые смазки при высоких температурах, можно наносить методами PVD.

Другой тип антифрикционного поверхностного слоя, успешно применявшийся для твердого покрытия, - это «Z-DOL» слой [5]. Z-DOL состоит из 0,5 % раствора перфторполиэфирной кислоты (R-CH2OH) в фреоне 113.

Цель работы. Целью данной работы является изучение износостойкости и трибологических параметров режущего инструмента с « комбинированными» покрытием, дополнительно улучшенным применением антифрикционного верхнего слоя из пер-фторполиэфира (Z-DOL).

Некоторые характеристики слоев многослойных покрытий показаны в табл. 1.

Перфторполиэфиры нашли широкое применение в промышленности как смазочные вещества для тяжелонагруженных высокотемпературных трибо-сопряжений. Эти жидкости привлекательны как смазочные вещества из-за их высокой теплостойкости, низкой температуры испарения и химической инертности. Перфторполиэфир применяется как антифрикционный верхний слой на поверхности твердых покрытий. Жидкая смазка представляет собой 0,5 % раствор перфторполиэфира «Z-DOL» в фреоне 113. Перфторполиэфир имеет следующую химическую структуру: HO-CH2-CF2O-(C2F4O)6-

© А. С. Верещака, Л. Ш. Шустер, М. Ш. Мигранов, С. М. Минигалеев, Г. С. Фукс-Рабинович, 2007

ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2007 — 177 —

Таблица 1 - Характеристики исследуемых «дуплексных» покрытий [5]

Наименование слоя Характеристики исследуемых «дуплексных» покрытий

Состав и структура слоя Микротвердость, ГПа Толщина, мкм

Твердое покрытие (КИБ) TiN 26-28 6-8

Субстрат из быстрорежущей стали с азотированным слоем Однофазовый с высоким содержанием нитрида мартенсита (a-Fe) 11-12 30-32

(СР2О)20-ОР2-ОН2-ОН. Пленка из перфторполиэфи-ра наносилась путем погружения образцов с покрытиями в раствор при температуре точки кипения. Физико-химические свойства перфторпоэли-фира приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Физико - химические свойства перфторполиэфира

Свойство Величина, единица

Молекулярная масса 2194

Плотность 1560 кг/м3

Толщина пленки 5-2500 нм

Несущая способность (макс. допуст. нагрузка) 3 ГПа

Максимальная рабочая температура 723 К

Методика проведения исследований

Процесс износа покрытых режущих инструментов исследовали при точении и фрезеровании стали 40Х. Режущие инструменты подвергались испытанию при резании с использованием охлаждающей жидкости 5 %-ной эмульсии и без нее. Усло -вия проведения испытаний в процессе резания приведены в табл. 3. Выбранные условия проведения испытаний могут привести к интенсивному износу с повреждением поверхности режущего инструмента, так как известно [2], что адгезионный износ преобладает на поверхностях режущего инструмента во время резания на низких и средних скоростях. Адгезионный износ вызывается формированием «мостиков» сварки шероховатостей на поверхностях обрабатываемой детали, стружки и инструмента. Последующий разрыв этих соединений, вызываемый сдвигом, ведет к появлению микроскопических фрагментов изношенного материала инструмента.

Трибологические параметры покрытий определялись с помощью специального сконструированного прибора, описанного в [3]. Вращающийся индентор с покрытием устанавливался между дву-

Таблица 3 - Условия проведения испытаний при резании

Режимы резания

« ,я и ,я и Режущий

Обрабатываем! материал я и S ниа азер н а з ер « о н инструмент из

Операция Скорость резания, м Подача й н и б £ S U S й н и р и а I СОЖ (5%- эмульсия) быстрорежу щей стали

Сталь 40Х Точение 50 - 70 0,28 мм/об 1,0 + Пластины

Сталь 40Х Фрезерова ние 21 63,0 мм/мин 3,0 5,0 + Концевые фрезы

мя отполированными образцами, изготовленными из обрабатываемой стали 40Х. Чтобы смоделировать условия трения режущего инструмента, образцы нагревались электроконтактным способом в диапазоне температур от 150° до 550°С. Нормальная сжимающая сила 2400 Н обеспечивала пластическую деформацию в контактной зоне. Для оценки трибологических свойств покрытий использовалась адгезионная составляющая коэффициента трения. В основном именно этот компонент отвечает за адгезионный износ инструментов из быстрорежущей стали (когда имеют место истирание и задиры металла [3]). Величина адгезионной составляющей коэффициента трения определялась как отношение прочности тпп на срез адгезионных связей между инструментом и обрабатываемой деталью и нормальным контактным напряжением ргп, возникающим на контактирующей поверхности при температуре испытаний (тпп/ргп).

Чтобы понять физический механизм явлений, которые имеют место на поверхности «режущий инструмент - обрабатываемая заготовка», исследовали химический и фазовый составы поверхностных слоев с помощью: ОЖЕ-электронной спектроскопии (ОЭС), анализа расширенной мелкой структуры спектров потери энергии электронов (EELFAS) и вторичной ионной масс спектрометрии (ВИМС), с использованием спектрометра УО ESCALAB МК2. ОЖЕ-спектроскопия использовалась для анализа состава поверхности покрытия и наружной поверхности пленок, образующихся на лезвиях режущего инструмента, а также для анализа контактирующей поверхности стружки. В каждом их этих случаев были выбраны для анализа несколько секторов размером 15x15 мм. Фазовый состав поверхности фаски износа изучали с помощью ВИМС. С этой целью пучок ионов аргона диаметром в 0,5 мкм сканировали синхронно с высокоскоростной телевизионной разверткой с ускоряющим напряжением в 5,0 кэВ и давлением аргона (Дг) в 2х 10-5 Па. При таких условиях скорость ионного травления не превышала 0,5 монослоя в мин. Анализ проводился в приближенном к статическому режиму. Аморфизация и тонкие структурные изменения в ближайшем атомном окружении были исследованы с помощью EELFAS-метода путем анализа расширенной тонкой структуры спектров электронов. Этот метод (в режиме отражения электронов) в настоящее время используется для точных исследований атомной структуры в тонких поверхностных слоях. По аналогии с EXAFS (рентгеновским методом определения плотности расширенной тонкой структуры), мелкая структура спектров электронов содержит информацию о структуре ближайшего атомного окружения на поверхности.

Результаты исследований

Данные стойкостных испытаний режущих инст-

рументов приведены на рис. 1. Из рисунка видно, что наружный (антифрикционный) слой уменьшает интенсивность изнашивания инструмента на первоначальной (приработочной) стадии износа, т.е. повреждение поверхности уменьшается и износостойкость резца значительно увеличивается.

Исследования влияния температуры на трибо-технические параметры многослойных покрытий, состоящих из ФОП твердого покрытия TiN с верхнем слоем из «Z-DOL» в контакте со сталью 40Х, показывают (рис. 2), что эти параметры улучшаются. Однако, улучшение триботехнических параметров (уменьшение коэффициента трения) само по себе не может объяснить существенное повышение износостойкости (в 1,5-2,0 раза) режущего инструмента с многослойным покрытием (рис.1).

Для изучения этого явления были проведены дополнительные исследования поверхностей контакта режущего инструмента и обрабатываемой детали. На рис. 2, а - в представлены спектры положительных и отрицательных ионов, полученные в результате анализа химического и фазового составов покрытия TiN + ПФПЭ. Покрытие TiN дает следующие пики: Ti+ (48); TiN+ (62); TiO+ (64 а.е.м). ПФПЭ «Z-DOL» дает следующие пики: О- (16); F- (19); CF2-2 (25); CF2O-2 (33); F2- (38 а.е.м); а.е.м. - это атомная единица массы. Состав покрытия изменяется во время резания. Пики с малой интенсивностью при 64 и 86 а.е.м. появляются после 200 секунд резания. Появление этих пиков можно объяснить триборазложением ПФПЭ и TiN с образованием оксидов титана и TiF2.

Был проведен анализ состава элементов поверхности фаски износа инструмента, выполненный с помощью ОЭС. Результаты представлены как ряд ОЖЕ-спектров, полученных с поверхности фаски износа при различной длительности резания (рис. 2).

Полученные результаты позволяют отметить, что на начальной стадии износа (стадия приработки) постепенное окисление покрытия TiN (ФОП) имеет место при высоком локальном напряжении и температурах, возникающих во время резания.

Этот процесс наблюдался в покрытиях TiN с антифрикционным слоем ПФПЭ и без него. В процессе резания происходит постепенное уменьшение содержания азота на поверхности, при этом кислород замещает азот. Значительное увеличение интенсивности ОЖЕ - линий для железа при длительном периоде резания объясняется адгезией материала детали (стали 40Х) по отношению к поверхности режущего инструмента и разрушением покрытия TiN на финальной стадии изнашивания. Наблюдается выраженная корреляция между изменением износостойкости режущего инструмента и составом покрытия (рис. 1, 2). Обеднение поверхности покрытия азотом и обогащение кислородом во время перехода из прира-

-р-1-1-1- "Дуплекс'1 покрытые  1мюй ¿МНЛ. р "Дуплекс" покрытие

/

/

У

а)

Л

О 100 200 300 400 500 600 700 Г, сек

—"Дуплекс" гюкры те -»— "Дуй. 1 икс" покрытые  СЛОИ /-|Н>|_

б)

0 200 400 600 800 Т, сек

Рис. 1. Влияние времени обработки на износ инструмента по задней поверхности:

а - точение стали 40Х с жидкой СОТС при V = 70 м/мин; f = 1,0 мм; 5 = 0,28 мм/об; инструмент, оснащенный пластинами из быстрорежущей стали Р6М5 с «комбинированным» покрытием; б - фрезерование стали 40Х концевыми фрезами из Р6М5 Ж12 мм при V = 21 м/мин; f = 3,0 мм; В = 5 мм; 5М = 63 мм/мин

боточной стадии в стадию нормального изнашивания связано с трибоокислением ИЫ. Предыдущие исследования показывают, что кислородосодержа-щее соединение, возникающее на поверхности, это неравновесный ТЮ-твердый раствор.

Окисление нитрида титана благоприятно воздействует на процессы трения и износа. Образование кислородосодержащего соединения на основе титана действует как экран, защищающий поверхность. Таким образом, появление кислородосодер-жащего соединения при переходе из приработоч-ной в нормальную стадию изнашивания свидетельствует о самоорганизации трибосистемы « инструмент-деталь» [5].

Обсуждение результатов исследований

Изучаемую трибосистему (в рассматриваемом случае, трибосистему составляет « обрабатываемая деталь - режущий инструмент»), можно рассматривать, как открытую термодинамическую систе-

му, в которой происходит обмен энергией, веществом и энтропией с окружающей средой. Согласно принципам, разработанным И. Пригожиным [6], второй закон термодинамики исключает возможности образования высокоорганизованных рассеивающихся структур в открытых системах. В подобных системах изменение равновесия может превысить некоторую критическую величину, типичную для резания и процессов упорядочивания материала, после чего начнет происходить спонтанное образование рассеивающихся структур [6]. В процессах трения и изнашивания самоорганизация материалов трибосистемы происходит как реакция на внешние условия, вызываемые процессом резания, что, во многих случаях, приводит к коренным структурным изменениям в поверхностных слоях материалов. Эти изменения касаются многих характерных свойств трущихся поверхностей и близлежащих поверхностных слоев (например, геометрических параметров, микроструктуры, фи-

- 18Ц-

Рис. 2. Зависимость параметров трения от температуры в зоне контакта: О - Р6М5

зико-химических и механических свойств и т.д.). Структурная адаптация трибосистемы заканчивается на начальной стадии изнашивания инструмента, т.е. в процессе приработочного изнашивания. Когда характеристики поверхностных слоев становятся оптимальными, приработочная фаза заканчивается; интенсивность изнашивания снижается, наступает стадия нормального изнашивания (устойчивое состояние).

В настоящем исследовании предлагается следующий механизм изнашивания покрытия (РУР) с верхним ПФПЭ - слоем.

Полимерная молекула связывается с поверхностью покрытия ИЫ положительно поляризованными атомами водорода в ОН и СН группах. Отри-

цательно поляризованные атомы азота в соединении ИЫ могут быть центрами адсорбции на поверхности покрытия. Отрицательно поляризованные атомы фтора в СР группах выталкиваются назад из электронных облаков, окружающих поверхность «инструмент-деталь». Подобный процесс формирования поверхностного потенциала с ПФПЭ смазкой был предложен в работе [4]. Благодаря такому электростатическому эффекту смазка ПФПЭ уменьшает фрикционный параметр на контактирующей поверхности « инструмент - обрабатываемая заготовка» (рис. 2). В связи с этим срок службы инструмента увеличивается.

Отмеченный эффект не является единственным для понимания феномена ПФПЭ - пленки. Следует

Рис. 3. ВИМС-спектры покрытия Т1Ы с «7-йО1.» антифрикционным верхним слоем:

а - спектр положительных ионов

также принять во внимание и другие эффекты.

ПФПЭ-пленки имеют высокую способность адсорбироваться и, благодаря ее небольшой толщине (табл. 2), она также имеет высокую адгезию с нижним слоем и проникает в поверхностные поры покрытия. Поверхностная энергия смазок, содержащаяся в типичных охлаждающих жидкостях, используемых для обработки резанием, выше, чем поверхностная энергия «2-йОЬ> - пленки. В результате молекулярного взаимодействия смазки и «Е-йОЬ» - пленки, последняя не сдвигается с поверхности режущего инструмента во время начальных стадий резания. Поверхности инструмента и детали разделяются слоем смазки, которая препятствует адгезии и интенсивному изнашиванию во время приработочной стадии эксплуатации инструмента.

Основная функция наружного антифрикционного слоя состоит в повышении способности адаптации покрытий Т1Ы к условиям внешнего воздействия. В процессе резания слой смазки постепенно уменьшается, в результате чего происходит адсорбция ионов фтора и их взаимодействие с металлом с образованием фтористого соединения. После 200 секунд резания образуется соединение типа Т1р2. Этот процесс сопровождается окислением Т1Ы и переходом избыточной массы азота в стружку. Такой переход азота происходит в условиях действия экстремальных температур и напряжений в зоне трения. Результатом является формирование пленок на основе оксидов титана на поверхности инструмента во время резания в виде аморфноподобной структуры. Титано - фтористые соединения могут быть более устойчивые, чем оксиды благодаря более прочным связям, образуемым с Т1-О соединениями. Оксидные и фтористые соединения с титаном обеспечивают покрытиям высокую защитную способность в условиях изнаши-

вания. Устойчивые титано-фтористые соединения, образуемые во время резания, являются, по-видимому, более важными фактором, объясняющим повышение износостойкости инструмента, чем улучшение условий трения с помощью ПФПЭ верхнего слоя.

Контроль за трением режущего инструмента в условиях адгезионного изнашивания означает локализацию всего внешнего воздействия в тонком поверхностном слое при максимальном рассеивании энергии, вырабатываемой во время трения. Большее количество каналов рассеивания энергии во время приработочной стадии изнашивания инструмента обеспечивает более высокую износостойкость режущего инструмента. Применение антифрикционного ПФПЭ-слоя препятствует интенсивному разрушению поверхности покрытия Т1Ы вследствие антифрикционных свойств слоя и образования защитных устойчивых соединений на поверхности во время приработочной стадии изнашивания. Наконец, устойчивая стадия изнашивания начинается с небольших локальных разрушений поверхности, что также способствует повышению износо-стойкости инструмента.

Рис. 4. ОЖЕ-спектры, полученные с поверхности режущего инструмента:

1 - покрытие Т1Ы с «7-й0Ь> антифрикционным верхним слоем до обработки резанием; 2 - после 100 с. резания; 3 - после 300 с. резания; 4 - после 500 с. резания; 5 - после 750 с. резания

Заключение

В работе исследованы свойства и поведение при трении и изнашивании «комбинированных» покрытий, включающих термодиффузионные слои, полученные ионным азотированием в поверхностных слоях быстрорежущей стали, промежуточное покрытие ИЫ, сформированное при использовании фильтруемых вакуумно-дуговых процессов, верхний слой которого модифицирован с помощью ПФПЭ-пленок (перфторполиэфир). На начальной стадии изнашивания режущего инструмента из быстрорежущей стали ПФПЭ - смазка увеличивает его антифрикционную способность и значительно снижает вероятность микроразрушения контактных площадок инструмента.

В процессе резания нитридотитановое покрытие интенсивно окисляется, образуя защитный экранирующий слой. Триборазложение «2-й0Ь> ведет к появлению фтористого соединения на основе титана, который может повышать защитно-эк-

ранирующую способность поверхностного слоя. Оба эффекта значительно повышают износостойкость «комбинированного» покрытия и контактных площадок быстрорежущего инструмента в целом.

Таким образом, результаты исследований позволяют утверждать, что «комбинированные» покрытия могут послужить хорошей основой для дальнейшего совершенствования режущих свойств инструмента из быстрорежущей стали.

Перечень ссылок

1. Верещака А.С. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями / А.С. Верещака, И.П.Третьяков - М.: Машиностроение, 1986. - 192 с.

2. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями - М: Машиностроение, 1993. - 336 с.

3. Шустер Л.Ш. Адгезионное взаимодействие твердых металлических тел. - Уфа: Гилем, 1999. - 199 с.

4. G.S. Fox-Rabinovich and others. Characteristic

features of alloying HSS - based deformed compound powder materials with consideration for tool self - organization at cutting. /Wear. 206. -1997у.-р. 214.

5. М.Ш. Мигранов. Интенсификация процесса металлообработки на основе использования эффекта самоорганизации при трении. /М.Ш. Мигранов, Л.Ш. Шустер // - М.: Машиностроение, 2005. - 202 с.

6.. Пригожин И. Современная термодинамика / И. Пригожин, Д. Кондипуди. - М.: Мир, 2002. - 461

с.

7. Fox-Rabinovich and others. Nano-crystalline filterd arc deposited (FAD) TiAlN PVD coatings for highspeed machining applications /Surface and Coatings Technology 177-178 (2004) 800-811.

Поступила в редакцию14.06.2007

Приведено результаты експериментальних досл'джень зносост1йкост1 i триботехн1чних властивостей багатошарових зносостiйких покрить для рiзального iнструменту 3i швид-корiзальноl стал'1, а також змни структурно-фазових склад '¡в контактних поверхонь. Вста-новлено, що при рiзанн i в результатi самоорганiзацil одночасно в 'дбуваються наступн i явища: триборозщеплення (розпад) тонкого поверхневого шару; формування стiйкого аморфно-подiбного захисного шару на iнструментальнiй поверхнi.

Results of experimental researches of wear resistance and tribotechnical properties of multilayered wear resistance coatings for the cutting tools from HSS steel, and also change of structurally-phase structures of contact surfaces are resulted. It is established, that at cutting as a result of self-organizing simultaneously there are following phenomena: tribo-disintegration of a thin superficial layer; formation of a steady is amorphous-like blanket on a tool surface.