Разработка многослойных покрытий на основе оценки их трещиностойкости

новые материалы и технологии

производства_

УДК 621.9.025

Разработка многослойных покрытий на основе оценки их трещиностойкости

В. П. Табаков, М. Ю. Смирнов, А. Н. Тулисов

Ключевые слова: износ, многослойное износостойкое покрытие, режущий инструмент, свойства, стойкость, трещиностойкость.

Одним из эффективных направлений повышения работоспособности режущего инструмента (РИ) является нанесение на его рабочие поверхности износостойких покрытий. Необходимость дальнейшего повышения работоспособности РИ требует разработки новых составов и конструкций износостойких покрытий. Поскольку разрушение износостойких покрытий на контактных площадках РИ в процессе резания имеет хрупкий характер [1], важной характеристикой покрытий является их циклическая трещино-стойкость, под которой понимается время работы РИ до образования в покрытии трещин. Как показано в работе [1], применение однослойных покрытий на основе модифицированного нитрида титана, обладающих более высокой циклической трещиностойкостью, в большей степени способствует снижению износа РИ.

В данной статье представлены новые конструкции многослойных покрытий на основе оценки их циклической трещиностойкости. Исследовали двухслойные покрытия Т1АШ-Т1АШе^ где Ме указывает на один из следующих элементов: Сг, Zr, Мо, Si, и TiZгN-TiZrMeN, где обозначение Ме может быть заменено на какой-либо из перечисленных элементов: А1, Сг, Мо, Si. Покрытия получены методом конденсации вещества в вакууме с ионной бомбардировкой, которые наносили на твердосплавные пластины МС146 (Московский комбинат твердых сплавов). Циклическую трещиностойкость многослойных покрытий оценивали по оригинальной методике [2], согласно которой проводили последовательный расчет следующих параметров:

• напряжения, возникающие в процессе резания;

• термические напряжения, появляющиеся из-за неравномерности распределения температуры;

• остаточные напряжения и напряжения, возникающие в результате ползучести материала инструментальной основы (полное описание методики см.: [2]).

Параметры структуры, в качестве которых были выбраны период кристаллической решетки а, полуширина рентгеновской линии Рщ и параметр текстуры <^ш/<^200, определяли на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М [3], микротвердость Н измеряли по восстановленному отпечатку на микротвердомере ПМТ-3 с использованием пирамиды Кнуппа при нагрузке 1 Н, прочность сцепления покрытия с инструментальной основой оценивали по коэффициенту отслоения Ко, который определяли методом вдавливания алмазного конического индентора (конус Роквелла) с использованием твердомера ТК-2М при нагрузке 1000 Н (данный параметр определяли как отношение площади отслоения покрытия вокруг лунки от индентора к площади лунки; меньшее значение коэффициента К0 свидетельствовало о большей прочности сцепления) [3]. Исследования проводили с использованием симплекс-суммируемого ротатабельного плана второго порядка [4]. Общую толщину многослойных покрытий варьировали в пределах 4,0-7,0 мкм, а толщину отдельных слоев — в интервале 1,5-5,5 мкм в зависимости от общей толщины покрытия. Толщину покрытия и отдельных слоев определяли на образцах-свидетелях путем перекрытия части их поверхности от ионного потока, затем проводили измерение с помощью профилографа-профилометра и, наконец, контролировали по времени осаждения.

Результаты расчета циклической трещино-стойкости многослойных покрытий представлены на рис. 1, 2. Они показывают, что циклическая трещиностойкость многослойных покрытий существенно выше, чем у однослойных. Для многослойных покрытий TiAlN-TiAlMeN она больше в 5,7-7,8 раза по сравнению с однослойным покрытием Т1АШ в зависимости от конструкции покрытия, а если сравнивать ее с соответствующим параметром трехэлементных однослойных покрытий, то в 1,853,00 раза. Наибольшую циклическую трещиностойкость имеет покрытие Т1АШ-Т1А^^

80-,

60-

40-

20-

0

1

2

3

7

8

9

4 5 6 Покрытие

Рис. 1. Влияние конструкции многослойного покрытия ^АШ-ИА1МеМ на циклическую тре-щиностойкость Тц:

1 — Т1А1Ы; 2 — TiAlN-TiAlMoN; 3 — 'ЛАМоЫ; 4 — TiAlN-TiAlCrN; 5 — ^АЮг^ 6 — 7 —

TiAlZrN; 8 — 9 — TiAlSiN

Тц, мин

80-,

60-

40-

20-

1 2 3 4 5 6 7 8 9 Покрытие

Рис. 2. Влияние конструкции многослойного покрытия TiZrN-TiZrMeN на циклическую тре-щиностойкость:

1 — 2 — ^Г^^ГМО^ 3 — ^ГМО^ 4 —

5 — ^гСГ^ 6 — ^Г^^ГАВД 7 — TiZrAlN; 8 — 9 — TiZrSiN

Тц, мин

60 и

50-

40 -

30-

20

2345

Нд, мкм

Рис. 3. Влияние толщины верхнего слоя TiZrAlN Ьв на циклическую трещиностойкость Тц покрытия

1-4 — общая толщина покрытия: 1 — 4 мкм; 2 — 5 мкм;

3 — 6 мкм; 4 — 7 мкм

Таблица 1

Циклическая трещиностойкость многослойных покрытий

Толшина. мкм Циклическая трещиностойкость

покрытия, мин

покрытия верхнего

слоя TiZrSiN ^гАВД

5,0 3,5 53,8 50,0 41,7

5,0 3,0 63,8 55,4 51,8

5,0 2,5 67,4 56,7 55,4

5,0 2,0 64,3 53,9 52,3

5,0 1,5 54,6 46,9 42,6

6,0 4,5 39,8 41,7 28,8

6,0 4,0 55,3 50,4 43,8

6,0 3,5 64,3 55,0 52,2

6,0 3,0 66,7 55,5 54,0

6,0 2,5 62,4 51,8 49,2

6,0 2,0 51,6 44,0 37,8

у которого данный показатель выше, чем у покрытий TiAlN-TiAlCrN, ^АШ^А^^ и ^АШ-^АШоН на 9,3; 17,4 и 35,0 % соответственно. Циклическая трещиностойкость многослойных покрытий TiZrN-TiZrMeN выше по сравнению с аналогичным параметром однослойного покрытия TiZrN в 3,8-10,0 раз, если сопоставлять ее с соответствующим показателем однослойных трехэлементных покрытий, то она больше в 1,95-3,23 раза. Максимальную циклическую трещиностойкость имеют покрытия т^-т^Ш и т^Л^АИМ, ее значения в 2,70 и 1,36 раза больше, чем у покрытий т^Л^МоК и т^Л^С^ соответственно. Анализ полученных результатов исследований позволяет отметить, что наибольшей тре-щиностойкостью обладают двухслойные покрытия, верхний слой которых легирован хромом, кремнием и алюминием.

Исследованиями установлено, что существенное влияние на циклическую трещиностой-

кость оказывает конструкция многослойного покрытия. С увеличением толщины верхнего слоя многослойного покрытия циклическая трещиностойкость возрастает и достигает своего максимального значения при толщине верхнего слоя, равной 40-60 % от общей толщины покрытия (рис. 3, табл. 1). Дальнейшее повышение толщины верхнего слоя ведет к уменьшению циклической трещиностойкости. Полученные закономерности справедливы для всех исследуемых многослойных покрытий. Наблюдаемый характер зависимости циклической трещиностойкости от толщины верхнего слоя объясняется изменением суммарных напряжений, возникающих в покрытии в процессе резания, и вязкостью разрушения при различных соотношениях значений толщины верхнего и нижнего слоев, отличающихся друг от друга физико-механическими свойствами.

Увеличение общей толщины многослойного покрытия вызывает некоторое снижение

1

новые материалы и технологии производства

циклическом трещиностоикости, которое составляет 5,5-7,0 % в зависимости от конструкции покрытия. Анализ полученных данных показывает, что большую циклическую тре-щиностойкость имеет покрытие TiZrN-TiZrAlN по сравнению с покрытием Т1АШ-Т.АЮг^ Как показано в [1], трехэлементные покрытия на основе модифицированного нитрида титана имеют более высокие физико-механические свойства и циклическую трещиностойкость по сравнению с теми характеристиками, какими обладают двухэлементные нитридные покрытия. Следовательно, можно ожидать, что многослойные покрытия, слои которых представляют собой трехэлементные нитриды, будут иметь повышенную циклическую тре-щиностойкость. С этой целью провели расчеты циклической трещиностойкости двухслойного покрытия TiZrAlN-TiZrSiN.

Исследованиями установлено, что для покрытия TiZrAlN-TiZrSiN характерны все закономерности по влиянию конструкции на циклическую трещиностойкость, как и в случае с покрытиями Т1АШЛ1АКШ и тШЛЧ&АЖ В то же время циклическая трещиностойкость последних на 18-25 % больше, чем у покрытий Т1АШЛ!А1С^ и т^-тгАШ. Данный факт объясняется более значительным уровнем суммарных напряжений, возникающих в покрытии в процессе резания, и более высокими физико-механическими свойствами.

Анализ полученных результатов исследований показывает, что с точки зрения уменьшения износа РИ наибольшую эффективность должны обеспечить многослойные покрытия с толщиной верхнего слоя, равной 40-60 % от общей толщины покрытия. Для проверки данного положения исследовали влияние конструкции покрытия Т1АШ-Т.А1&№ на интенсивность износа твердосплавных пластин МС146, а также структурные параметры, микротвердость и коэффициент отслоения данных покрытий.

Исследованиями установлено, что соотношение толщин отдельных слоев покрытия и общая толщина многослойного покрытия практически не оказывает влияния на период его кристаллической решетки. Разница между значениями периода кристаллической решетки не превышает 1,0 %. В тоже время при увеличении толщины слоя наблюдается тенденция уменьшения параметра структуры J\\\/J200 и повышения ширины рентгеновской линии Рш (рис. 4). Увеличение ширины линии Рш с ростом толщины верхнего слоя ТАКТМ объясняется более высокой микротвердостью данного слоя. С увеличением его толщины объемная доля слоя в общей

JШ/J200 16 И

11 -

7-

3-1

Р111 0,9-,

0,90,70,50,30,1

1-1-1-1-1-1-1-1

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5

ЬгШСгЫ

Рис. 4. Влияние толщины верхнего слоя ТЧАЮгК на параметр текстуры (3, 4) и ширину рентгеновской линии (1, 2) покрытия Т1АШ-Т1АЮг№

1-4 — общая толщина покрытия: 1, 3 — 5 мм; 2, 4 — 7 мм

толщине многослойного покрытия возрастает, именно это вызывает повышение значения Рш.. Рост общей толщины многослойного покрытия не оказывает существенного влияния на параметры Рщ и Jш/J200.

Повышение толщины верхнего слоя ТАКТМ сказывается на микротвердости и коэффициенте отслоения многослойного покрытия. Как показано на рис. 5, увеличение толщины верхнего слоя, обладающего более высокой микротвердостью по сравнению с нижним слоем, приводит к более высоким значениям Нр, которые составляют 10-16 % в зависимости от общей толщины многослойного покрытия. В то же время общая толщина покрытия практически не оказывает влияния на величину микротвердости.

По сравнению с микротвердостью коэффициент отслоения многослойных покрытий в большей степени зависит от соотношения толщин покрытия и его общей толщины.

Нт ГПа кд 90-1

70 -

50 -

30 -

К

0,9-

0,70,5 0 3

10 0,1 -1-1-1-1-1-1-1-1

1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5

ЬпЛСгМ

Рис. 5. Влияние толщины верхнего слоя Т1А1СгМ на коэффициент отслоения (1, 4) и микротвердость (2, 3) покрытия Т1АШ-Т1А1Сг№

1-4 — общая толщина покрытия: 2,4 — 5 мкм; 1, 3 — 7 мкм

а)

J  10 4, мм/м 4 "I

3 -

2 -

1 -

1,0

2,0

3,0

—I-1

4,0 5,0

hB, мкм

б)

J  10-4, мм/м 4

2-

1 -

1,0

2,0

3,0

—I-1

4,0 5,0

hB, мкм

Рис. 6. Влияние толщины верхнего слоя ^АЮ^ Ьв на интенсивность износа РИ J с покрытием ^АШ-^АЮ^ при обработке заготовки из стали 30ХГСА (а) и 12Х18Н10Т (б):

1-4 — общая толщина покрытия: 1 — 4 мкм; 2 — 5 мкм; 3 — 6 мкм; 4 — 7 мкм

3

3

0

0

Для многослойных покрытий толщиной 4 и 5 мкм по мере увеличения толщины верхнего слоя наблюдается монотонное снижение коэффициента отслоения, что свидетельствует о повышении прочности сцепления покрытия с инструментальной основой. У покрытий с общей толщиной 6 и 7 мкм имеет место небольшое повышение коэффициента отслоения при малой толщине нижнего слоя. Анализ полученных данных позволяет сделать заключение, что наибольшая прочность сцепления многослойного покрытия с инструментальной основой обеспечивается при толщине нижнего слоя, соответствующей 30-40 % от общей толщины покрытия.

Интенсивность износа режущего инструмента определяли по формуле

J = —10-4,

где Ьз — величина фаски износа по задней поверхности, мм; t — время работы режущего инструмента до момента фиксирования величины Ьз, мин; V — скорость резания, м/мин.

Заготовки из сталей 30ХГСА и 12Х18Н10Т обрабатывали при двух режимах резания:

• режим 1: V = 180 м/мин, й = 0,25 мм/об, t = 0,75 мм;

• режим 2: V = 80 м/мин, й = 0,15 мм/об, t = 0,5 мм.

Результаты исследований представлены на рис. 6. Как показывают данные, с увеличением толщины верхнего слоя интенсивность износа РИ уменьшается и достигает

своего минимума при толщине, равной 4060 % от общей толщины покрытия, при которой имела место и наибольшая циклическая трещиностойкость многослойного покрытия. Выявленная закономерность наблюдается при любой толщине многослойного покрытия при обработке заготовок из стали 30ХГСА и 12Х18Н10Т. Таким образом, конструкция многослойного покрытия, имеющая наибольшую величину циклической трещиностойко-сти, обеспечивает максимальное снижение интенсивности износа РИ.

На основании проведенных исследований были разработаны двухслойные покрытия TiMe1N-TiMe1Me2N, где Ме1 — Zr, А1, Ме2 — Сг, Zr, А1 [5-7]. Проведенные стой-костные испытания подтвердили высокую эффективность разработанных многослойных покрытий по сравнению с покрытием из нитрида титана. Некоторые результаты данных

Таблица 2

Влияние износостойких покрытий на период стойкости РИ

Период стойкости РИ, мин

Покрытие Режим 1 Режим 2

30ХГСА 12Х18Н10Т 30ХГСА 12Х18Н10Т

Без покрытия 10 8,5 12,0 11,5

TiN 18 15,0 21,0 20,0

TiAlN- 52 38,0 61,5 48,0

TiAlCrN

TiZrN- 60 48,0 75,0 60,0

TiZrAlN

П р и м е ч а н и е. При обработке заготовок из стали 30ХГСА

использовалась основа МС146 (МКТС) из стали 12Х18Н10Т —

HTilO (Mitsubishi Carbide).

исследований представлены в табл. 2. Применение многослойных покрытий дает возможность увеличить период стойкости РИ по сравнению с аналогичным показателем покрытия из нитрида титана в 2,4-3,2 раза в зависимости от режима резания и обрабатываемого материала.

Анализ результатов проведенных исследований позволяет отметить следующее. Циклическая трещиностойкость многослойных покрытий выше в 3,8-10,0 раз по сравнению с двухэлементными однослойными и в 1,95-3,23 раза, если сравнивать ее с соответствующим параметром трехэлементных однослойных покрытий в зависимости от конструкции покрытия. Максимальную циклическую трещиностойкость имеют многослойные покрытия, верхний слой которых легирован алюминием, кремнием и хромом.

С увеличением толщины верхнего слоя многослойного покрытия циклическая трещиностойкость возрастает и достигает своего максимального значения, когда толщина указанного слоя составляет 40-60 % от общей толщины покрытия. Данное соотношение справедливо для всех рассмотренных многослойных покрытий независимо от их общей толщины.

Многослойные покрытия, в состав конструкции которых входят трехэлементные нитриды Т1Ме1Ме2К-Т1Ме1Ме2К, имеют более высокую циклическую трещиностойкость по сравнению с покрытиями ,ИМе1]Ы-,ИМе1Ме2]Ы. Наибольшее снижение интенсивности износа РИ обеспечивают многослойные покрытия, обладающие максимальной циклической трещи-ностойкостью.

Литература

1. Табаков В. П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента. М.: Машиностроение, 2008. 311 с.

2. Табаков В. П., Смирнов М. Ю., Тулисов А. Н. и др. Методика расчета трещиностойкости многослойных покрытий режущего инструмента // Упрочняющие технологии и покрытия. 2010. № 3. С. 43-48.

3. Табаков В. П., Николаев Ю. Н., Полян-сков Ю. В. и др. Повышение стойкости режущего инструмента путем изменения адгезионно-прочностных свойств износостойкого покрытия // Станки и инструмент. 1990. № 3. С. 22—23.

4. Налимов В. В. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965. 340 с.

5. Пат. 2293793 Российская Федерация. МПК7 С 23 С 14/24, С 23 С 14/06. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента / В. П. Табаков, А. В. Циркин, А. В. Чихранов и др.; заявитель и патентообладатель Ульяновск, гос. техн. ун-т. № 2005136848/02; заявл. 25.11.2006; опубл. 20.02.2007. Бюл. № 5.

6. Пат. 2293794 Российская Федерация. МПК7 С 23 С 14/24, С 23 С 14/06. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента / В. П. Табаков, А. В. Циркин, А. В. Чихранов и др.; заявитель и патентообладатель Ульяновск, гос. техн. ун-т. № 2005136849/02; заявл. 25.11.2006; опубл. 20.02.2007. Бюл. № 5.

7. Пат. 2297472 Российская Федерация. МПК7 С 23 С 14/06, С 23 С 14/24. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента / В. П. Табаков, А. В. Циркин, А. В. Чихранов и др.; заявитель и патентообладатель Ульяновск, гос. техн. ун-т. № 2005136850/02; заявл. 25.11.2005; опубл. 20.04.2007. Бюл. № 11.