Исследования влияния технологических параметров наесения ионно-плазменных покрытий на их качество

study the physicomechanical properties of materials based on silicon nitride, the following compounds were chosen: Si3N4, with the addition of Al, TiO2. The study of the obtained materials based on silicon nitride using microstructural and energy dispersive analyzes is shown. The determination of the hardness of the sintered samples was carried out according to the Brinell method. In measurements, a ball with a diameter of 6.35 mm and a load of 100 and 150 kgf were used. Comparison of hardness measurements of pressed samples before and after sintering was carried out. Studies were conducted on a hardness tester with a load of 100 kgf. Compressed specimens collapsed when preload was applied -5 kgf. Unlike compressed samples, all sintered samples withstood a load of 100 kgf. At loads of 100 and 150 kgf, a sample of a composition of silicon nitride with the addition of 25% aluminum showed the greatest hardness; the hardness was approximately 16 HB. The smallest hardness was shown by a sample of the composition of silicon nitride without additives, the hardness was approximately 12 HB. From the obtained results on the measurement of the hardness of sintered samples, it follows that at 1000 ° C the selected compositions of three pressed samples are sintered for 3 hours.

Keywords: silicon nitride, nanofibres, self-propagating high-temperature synthesis, sintering, ceramics, activating additives.

ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НАЕСЕНИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ

НА ИХ КАЧЕСТВО Лавро Виктор Николаевич, доцент (e-mail:lavro7@mail.ru) Самарский государственный технический университет, Россия

Рассмотрены вопросы совершенствования технологии нанесения ионно-плазменных покрытий на режущий инструмент и влияние технологических параметров процесса на их качество.

Ключевые слова: плазменные покрытия, свойства покрытий, технологические параметры, метод АПИД.

Развитие методов нанесения и расширение масштабов использования износостойких упрочняющих покрытий на металлообрабатывающий инструмент различного назначения является важнейшим средством повышения работоспособности инструмента, служит основной для внедрения высокоинтенсивных режимов обработки современных конструкционных материалов. Вместе с тем даже существенное повышение стойкости упрочненного инструмента не снимает проблемы совершенствования технологии нанесения и повышения качества покрытий в связи с многофакторностью процесса, необходимостью учета индивидуальных характеристик инструмента и особенностей его эксплуатации.

Анализ технологических процессов вакуумно-плазменного нанесения упрочняющих покрытий позволяет выявить основные направления их совершенствования.

Проводимые нами исследования по отработке технологических процессов нанесения ионно-плазменных износостойких покрытий указывают, что

наиболее полно возможности поверхностного упрочнения инструмента могут быть реализованы путем совершенствования:

- стабильности электрических параметров плазмотрона;

- средств контроля и измерения температур на всех этапах процесса;

- подача реакционного газа в вакуумную камеру;

- условий ионной очистки поверхности инструмента;

- диагностики качества покрытий.

С целью реализации указанного подхода разработаны качественно новые элементы и системы плазменного оборудования, включающие:

- модуль низкотемпературной газовой активации поверхности изделий «Поток»;

- автоматическую подачу и поддержание на заданном уровне реакционного газа на всех стадиях технологического процесса;

- автоматический контроль и измерение температуры изделия как в режиме очистки так и в режиме конденсации поверхности;

- экспресс диагностику качества получаемых ионно-плазменных покрытий по методу основанному на анализе динамики микро разрушений покрытия под действием локальной анодной поляризации в растворах электролитов специального состава, на приборе ЭИД (электрохимический инициатор дефектов).[1]

Для установления взаимосвязи между параметрами качества при анодной поляризации и износостойкостью режущего инструмента с покрытием были проведены исследования вакуумно-плазменных покрытий на основе нитрида титана на подложке из быстрорежущей стали Р6М5. Изучались факторы, оказывающие наибольшее влияние на параметры качества по методу АПИД. В связи с этим проводились эксперименты по выяснению влияния на количество электричества (0п), прошедшего через электролитическую ячейку-датчик, при анодной поляризации покрытия и на интегральный коэффициент качества (К1) следующих основных параметров: время напыления, давление реакционного газа, шероховатость; которые в свою очередь определяют толщину покрытия, адгезию покрытия с подложкой, микротвердость покрытия, его структуру и т.д.

Напыление покрытий осуществлялось методом КИБ на вакуумно-плазменной установке «Юнион». В качестве материала подложки были выбраны концевые фрезы и образцы свидетели из стали Р6М5 диаметром 20 мм. На поверхности концевых фрез и образцов-свидетелей конденсировалось покрытие - нитрид титана.

Шероховатости поверхности образцов задавались в диапазоне от Яа=0,02-1,25 мкм. Время напыления изменялось в диапазоне от 5 до 25 мин. Температура, соответственно от 350-550°С. Давление реакционного газа (азота) варьировалось в диапазоне от 1*10-1 до 9*10-1 Па. Технологические параметры ионно-плазменного напыления: ток дуги ип=100 (В); давление газа азота Р=(2-5)*10-1 Па; температура изделия Т=500 °С; время конденсации т=30 мин.

Контроль качества покрытий выполняется на приборе ЭИД рис. 1-2.

Рисунок 2 - Принципиальная схема прибора ЭИД 1- покрытие ,Т1К; 2- подложка; 3- графитовая ячейка;

4- резиновая насадка с калиброванным отверстием; 5- электролит

Метод анодно-поляризационного инициирования дефектов (АПИД) является формой испытания, которое включает в себя нагружение, моделирующие механические нагрузки на покрытия в процессе эксплуатации и регистрацию реакции покрытия на данное нагружение. В данном методе для возбуждения в покрытии механических напряжений используют элек-трострикционные свойства существующей на поверхности покрытия окис-ной пленки. Электрострикционный механизм разрушения Т1К покрытий при анодной поляризации представлен на рис. 3.

Электролит

. ©в©ее в, е ееееееуе —

ТЮ на свежеобразованнои поверхности

Рисунок 3 - Электрострикционный механизм разрушения Л N покрытий при анодной поляризации

Р=

е(в + 1)ф2 _у

8л х Ь

2

Р - отрывающее усилие; ф- поляризующее напряжение; е- диэлектрическая постоянная; - поверхностное натяжение; Ь- толщина окисной пленки.

При ф~3В, у-103 н/м, Ь~10-8, Р~1012н/м2.

Вследствие эффекта электрострикции наложение на окисную пленку электрического поля приводит к возникновению в ней поля механических напряжений, которые передаются на покрытие. Для создания в окисной пленке электрического поля высокой напряженности, поверхность покрытия подвергают анодной поляризации в среде электролита, содержащего хорошо адсорбируемые агрессивные анионы. Электрострикционные напряжения в окисной пленке передаются на покрытие и реализуют необходимые для диагностики отрывающие усилия. Соответственно, результат воздействия поляризующего напряжения оказывается зависящим от структуры и свойств покрытия, в зависимости от конкретного состояния когерентных свойств покрытий. Для количественной интегральной оценки качества покрытий используется интегральный параметр качества К1. Параметр качества является безразмерным и нормирующем, высшее качество покрытия соответствует значению К1=1, низшее К1=0.

Информативность параметра К обусловлена тем, что каждый вид дефектов делает вклад в величину Qп вследствие этого К1 может служить объективной количественной характеристикой общей дефектности износостойких покрытий.

К1=

Qo-Qп

Qo

где Qо и Qп - количество электричества, прошедшие через электролитическую ячейку при поляризации поверхности образца без покрытия и с покрытием. [2]

Результаты исследований представлены на рис. 4-7.

Рисунок 4 - Зависимость качества покрытий от времени напыления

45D т- : -i—

Рисунок 5 - Зависимость качества покрытий от температуры поверхности

0,32 Ra ,МКМ

Рисунок 6 - Влияние шероховатости поверхности на качество покрытий

Р, Па р, Па

Рисунок 7 - Зависимость качества покрытий от давления реакционного газа

Структурно-механические факторы, определяющие износостойкость и параметры качества указаны в таблице.

Таблица 1 - Структурно-механические факторы, определяющие износостойкость и параметры качества по методу АПИД

Параметры и дефекты Износостойкость режущего инструмента Параметры качества по прибору ЭИД

Адгезия + +

Толщина + +

Напряженное состоя- + +

ние

Пористость + +

Микротрещины + +

Капельная фаза + +

Инородные включения + +

Шероховатость + +

Текстура + +

Из результатов проведенных исследований видно, что с увеличением времени и температуры напыления коэффициент качества К возрастает, а количество электричество электричества Qn снижается; с повышением шероховатости Ra, К1 резко снижается, а Qn резко возрастает. При увеличении давления реакционного газа К1 и Qu сильно изменяются и имеют соответственно max и min при давлении 5*10-1 Па.

Анализ проведенных исследований показал, что параметры качества К1 и Qu сильно зависят от структуры покрытия, его толщины, адгезии покрытия с подложкой, подготовки поверхности по шероховатости.

ЭИД может быть использован для текущего контроля качества ионно-плазменных покрытий на производственных участках в заводских и науч-

но-исследовательских лабораториях, а также при разработке новых технологий и прогнозирования работоспособности режущего инструмента с покрытием.

Показано, что предлагаемый в данной работе подход совершенствования оборудования и технологии позволит увеличить стойкость режущего инструмента с покрытием.

Список литературы

1. А.с. 10029941 (ДСП) способ определения качества покрытий.

2. Лавро В.Н. Прогнозирование надежности режущего инструмента с износостойкими ионно-плазменными покрытиями. Международная конференция «Актуальные проблемы надежности технологических энергетических и транспортных машин», г. Самара, 2003 г.

Lavro Viktor Nikolaevich, professor (e-mail:lavro7@mail.ru) Samara state technical university

RESEARCHES OF INFLUENCE OF THE TECHNOLOGICAL NAYESENIYA PARAMETERS OF ION-PLASMA COVERINGS ON THEIR QUALITY

Abstract. Questions of improvement of technology of drawing ion-plasma coverings on the cutting tool and influence of technological parameters of process on their quality are considered.

Keywords: plasma coverings, properties of coverings, technological parameters, APID method.