Износостойкие покрытия для режущих инструментов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Износостойкие покрытия для режущих инструментов

Наиболее широко в качестве износостойких покрытий применяются соединения тугоплавких d-переходных металлов IV-VI Периодической системы элементов с кислородом, углеродом и азотом [5]. Это связано с особенностями их кристаллохимического строения:

Во-первых, эти металлы имеют недостаток электронов на внутренних s, p и d орбиталях, и это приводит к тому, что они с достаточной легкостью могут приобретать электроны из любого источника, которым может служить междоузельные атомы углерода, азота и кислорода.

Во-вторых, большинство переходных металлов имеют достаточно большие атомные радиусы и при образовании соединений с атомами C,N и O могут подчинятся правилу Хэгга, согласно которому отношение радиуса атома неметалла к радиусу атома металла меньше критического значения 0.59. Для соединений металлов IV группы (Ti,Zr,Hf) достаточно точно выдерживается правило Хэгга, что приводит к образованию простых структур, в которых превалирует связь металл-металл, а атомы C,H,O можно рассматривать как вставленные в решетку атомов металла.

В-третьих, большинство переходных металлов имеют широкие области гомогенности, что позволяет в зависимости от содержания кислорода, азота и углерода достаточно сильно изменять физико-механические свойства их карбидов, нитридов и оксидов.

В-четвертых, переходные металлы и некоторые их соединения, в первую очередь соединения с простой кубической структурой типа NaCl (ZrC,ZrN,TiN,VC,TaC), отличаются очень высокими температурами плавления.

Соединения металлов IV-VI групп с кислородом, углеродом и азотом можно рассматривать и как наиболее устойчивый (в термодинамическом отношении) материал для покрытий, способный противостоять твердо- и жидкофазным диффузионным реакциям, коррозии и окислению при высоких температурах. Ниже будет показано, что свойства соединений тугоплавких металлов с О,N и С при обычных и повышенных температурах сильно зависят от многих факторов: состава (стехиометрии), наличия примесей, микроструктуры и текстуры, пористости и т.д.

Карбиды обладают рядом противоречивых свойств, что осложняет детальное изучение их физической природы. В частности, строение монокарбидов с кубической решеткой соответствует структуре типа NaCl , вместе с тем электропроводность карбидов сравнима с электропроводностью металлов. Высокая твердость карбидов проявляется за счет ковалентной связи атома углерода с атомом метала.

Наибольшая склонность к образованию энергетически стабильных конфигураций sp3 проявляются у карбидов металлов IV группы (Ti, Zr, Hf ). Это обусловлено большей донорской способностью этих металлов (особенно Ti) при относительно высоком содержании углерода в карбиде (до 20%). Стабильные конфигурации карбидов атомов металлов IV группы объясняется уменьшением общего числа нелокализованных электронов sp-переходов, смещения равновесия вправо и уменьшения общего числа нелокализованных электронов: sp2 + p sp3. Поэтому карбиды обладают повышенной жесткостью кристаллической решетки, определяющей их высокую твердость, теплостойкость и хрупкость. При переходе к карбидам V группы донорская способность металлов этой группы снижается, что приводит к снижению статистического веса устойчивости sp3-конфигурации карбидов и соответственно уменьшает соответственно твердость этих карбидов. Область их гомогенности сужается, в составе наряду с карбидами МС образуются низшие карбиды М2С с гексагональной структурой. Так например, твердость TiC равна 31.7 ГПа, а твердость TaC - 17.4 ГПа, Nb2C - 21 Гпа. У карбидов тугоплавких металлов VI группы (Cr, Mo,W) содержание углерода падает до 6%, снижается число обобществленных электронов, поэтому статический вес атомов наиболее стабильной электронной конфигурации sp3 оказывается очень низким, а свойства карбидов определяются главным образом свойствами d5-конфигурации. Связи d5 более гибкие, чем sp3, допускают упругий прогиб решетки, более свободное движение в ней дислокаций. Поэтому карбиды металлов VI группы имеют меньшую твердость и хрупкость (CrC, MoC, WC), чем твердость и хрупкость карбидов IV группы (TiC, ZrC, HfC). Так твердость CrC равна 29.5 ГПа, а твердость ZrC - 29.5 ГПа. Карбиды тугоплавких металлов V группы занимают промежуточное положение. У карбидов VI группы имеются узкие области гомогенности. Образование карбидов таких металлов связано с сильными искажениями кристаллической решетки металла (Cr) либо с нарушением порядка упаковки (Mo, W). В следствии этого, у карбидов VI могут возникать и прямые связи C-C (MoC, CrC) [5].

По своим свойствам и строению нитриды весьма похожи на карбиды, однако, между ними существуют определенные различия. Главное различие состоит в сильном снижении связи металл - неметалл из-за уменьшения ковалентности азота (трехвалентный) по сравнению с валентностью углерода (четырехвалентный).

Атом азота в нитридах, имеющий в изолированном состоянии конфигурацию валентных электронов s2p6 , может быть как донором, так и акцептором электронов. Акцепторная способность азота преимущественно проявляется при образовании нитридов металла IV-VI групп, у которых преобладает ковалентно-металлическая ионная связь. Донорские способности тугоплавких металлов IV группы (особенно Ti) в результате присоединения трех атомов азота приводят к образованию энергетически очень устойчивых конфигураций s2p6: s2p3 + 3p s2p6 [5].

Вследствие резкого снижения донорской и роста акцепторной способности металлов VI группы (Cr, Mo, W) для этой группы может проявляться и донорская способность азота (s2p3 sp4 sp3 + p ) с образованием избыточных (не участвующих в химической связи) электронов, которые снижают температуру плавления этих нитридов.

Хотя особенность конфигурационного строения нитридов переходных металлов (s2p6) свидетельствует о их высокой коррозионной стойкости (снижение склонности к твердо- и жидкофазным диффузионным реакциям), необходимо отметить меньшую термодинамическую устойчивость нитридов, по сравнению с карбидами. Практически это означает, что нитриды имеют более низкую по сравнению с карбидами сопротивляемость к высокотемпературному окислению, коррозии. Причем, при переходе нитридов металлов IV группы (TiN, ZrN, HfN) к нитридам металлов V (VN, NbN, TaN) и особенно VI группы (CrN, MoN, WN) сопротивляемость к высокотемпературному окислению снижается. Вместе с тем нитриды имеют и свои преимущества. Они более пластичны и менее хрупки, чем карбиды. Так например, предел прочности при изгибе TiN равен 240 МПа, а TiC - 15 МПа [5].

Оксиды обладают твердостью, сравнимой с твердостью нитридов. Так например, твердость TiN равна 20.5 ГПа, а твердость Al2O3 - 19.9 ГПа. Между тем, по коррозийным свойствам оксиды превосходят нитриды. Хрупкость оксидов сравнима с хрупкостью карбидов. [18]

Оборудование и технология для нанесения плазменных, вакуумных покрытий

Вакуумно-плазменные методы нанесения покрытия в промышленности называют PVD-метод - нанесение конденсацией из паровой (газовой) фазы (англ. physical vapour deposition; сокращённо PVD) обозначает группу методов напыления покрытий (тонких плёнок) в вакууме, при которых покрытие получается путём прямой конденсации пара наносимого материала.

При физическом осаждении (PVD) материал покрытия переходит из твердого состояния в газовую фазу в результате испарения под воздействием тепловой энергии или в результате распыления за счет кинетической энергии столкновения частиц материала. Энергия, распределение и плотность потока частиц определяются методом нанесения, параметрами процесса и формой источника частиц. Нанесение покрытий методом PVD проводится при температуре до 450°С, что практически не накладывает ограничения по используемым материалам, на которые наносится покрытие. Это особенно важно при нанесении покрытия на быстрорежущую сталь, так как температура процесса не превышает температуру отпуска закаленной стали (около 550°С). PVD-процессы проводят в вакууме или в атмосфере рабочего газа при достаточно низком давлении (около 10-2 мбар). Это необходимо для облегчения переноса частиц от источника (мишени) к изделию (подложке) при минимальном количестве столкновений с атомами или молекулами газа. Это же условие определяет обязательность прямого потока частиц. В результате покрытие наносится только на ту часть изделия, которая ориентирована к источнику частиц. Скорость осаждения зависит в этом случае от относительного расположения источника и материала. Для равномерного нанесения покрытия необходимо систематизированное движение материала или применение нескольких, определенным образом расположенных, источников. В то же время, поскольку покрытие наносится только на поверхности "в прямой видимости источника", метод позволяет селективно наносить покрытие только на определенные части поверхности, оставляя другие без нанесенного слоя. Это абсолютно невозможно при использовании метода химического осаждения. Основными факторами, определяющими качество покрытия, нанесенного методом физического осаждения, являются чистота исходных материалов и реакционного газа, а также необходимый уровень вакуума.

При PVD-методе материал покрытия внутри установки переводится из твердого состояния в газообразное с помощью различных физических процессов. Их можно разделить на две большие группы - процессы испарения и распыления. Испарение осуществляется за счет резистивного сопротивления, индукционного нагрева, электронно-лучевых пучков, низковольтной дуги, полого катода, катодной или анодной дуги, лазерного луча. Процессы могут проходить с дополнительной ионизацией или без нее, в среде реакционного газа или без него, с напряжением смещения или без него.

Распыление бывает диодное или магнетронное, при постоянном токе или токе высокой частоты, в среде реакционного газа или без него, с напряжением смещения или без него, с дополнительной модификацией магнитного поля (несбалансированной или с замкнутым полем) или без нее.

Для нанесения покрытий на инструмент в подавляющем большинстве случаев применяется один из трех методов ионного осаждения. К ним относятся:

· испарение электронным пучком,

· испарение электрической дугой (метод КИБ),

· распыление (магнетронное) ионной бомбардировкой.

Процессы протекают в среде инертного газа в присутствии реакционного газа (например, азота и/или ацетилена) при отрицательном напряжении смещения на покрываемом материале. Для улучшения переноса частиц в камере поддерживается пониженное давление (меньше 10 2 бар или около 1 Па) или высокий вакуум (10~5 бар или 10"3 Па).

Поскольку покрытие наносится только на поверхности, обращенные в сторону источника частиц, покрываемый материал должен совершать сложное планетарное движение. Для реализации такого движения материал помещают на специальные подставки

Практически все современные установки работают по замкнутому циклу, включающему:

· загрузку в очищенную камеру подставки с тщательно очищенным материалом (инструментом), на который будет наноситься покрытие;

· откачивание воздуха из камеры;

· нагрев камеры и материала внешним источником и ионной бомбардировкой (при положительном напряжении смещения на материале);

· очистку материала ионным травлением (аргонно-ионным или метало-ионным) с последующим отсосом загрязнений (рис. 1.14);

· испарение или распыление и ионизацию материала "мишени" (например, титана) с одновременной подачей энергии, рабочего газа (например, аргона) и реакционного газа (азота для образования нитридов, углеводорода для образования карбидов и кислорода для образования оксидов); перенос частиц (ионов, атомов, молекул, электронов, радикалов) в среде ионизированного газа (плазме);

· столкновение частиц с материалом и конденсацию (для улучшения процесса применяется отрицательное напряжение смещения на материале);

· охлаждение камеры и материала;

· выгрузку подставки с материалом после выравнивания давления.

Ионная очистка материала

При правильно подобранных параметрах процесс выполняется автоматически с высокой степенью надежности и воспроизводимости. Обязательное условие - тщательная очистка материала перед нанесением покрытия, осуществляемая последовательной обработкой (отмывкой) в нескольких химических средах, частично с ультразвуковой обработкой. После этого следует промывка в чистой воде и сушка. Инструмент не должен иметь никаких следов термической обработки. Особое внимание уделяется также очистке внутренних каналов подвода и "дегазации" мест пайки. Для подготовки поверхности под покрытие часто применяется микроструйная обработка.

Метод испарения электронным лучом

В установках, использующих испарение электронным пучком, к катоду с тлеющей дугой подводится высокое напряжение (1-10 кВ). В результате создается сфокусированный и ускоренный пучок электронов (около 200 А), который направляется на мишень с металлическим материалом покрытия (рис. 1.15). Мишень установлена в центре горизонтально расположенного котла из графита, керамики или меди. К котлу подведено положительное напряжение. К противолежащей подставке с покрываемыми инструментами подведено отрицательное напряжение, называемое напряжением смещения. Положительные ионы испаренного вещества (например, титана) вступают в реакцию с реакционным газом (например, азотом) и образуют материал покрытия (нитрид титана), который осаждается на покрываемом инструменте. Камера покрытия изготавливается из нержавеющей стали с двойными стенками с системами нагрева и охлаждения.

Метод КИБ (конденсация в условиях ионной бомбардировки)

При использовании дугового испарения зажигается электрическая дуга (рис. 1.16). В литературе метод носит название КИБ (конденсация из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки). После зажигания дуги ее перемещение по поверхности мишени, установленной в медном охлаждаемом катоде, управляется с помощью системы магнитов. Основная цель - обеспечить равномерное удаление материала с поверхности мишени и продлить срок ее службы. Катод устанавливается вертикально на стенки камеры, и к нему подводится отрицательное напряжение. В момент розжига дуги на поверхности мишени возникает местный расплав (рис. 1.17а). Начинается испарение металла мишени (рис. 1.17б и 1.17в), однако при испарении вместе с ионами материала также ускоряются неионизированные частицы металла (капли) (рис. 1.17г), которые также осаждаются на поверхность инструмента. Наличие такой капельной фазы является основным недостатком дугового метода, так как капли ухудшают качество покрытия.

Образование пара и капель

На дуговых установках можно наносить композитные (состоящие из нескольких металлов) и многослойные покрытия. Для этого применяются различные катоды. На противоположных стенках камеры можно установить несколько катодов из чистых металлов (например, титана и алюминия), а можно использовать один катод из их сплава. При недостатке места можно использовать комбинированные катоды, состоящие из нескольких "чистых", сведенных на одном катодном блоке мишеней. Применение нескольких одинаковых мишеней увеличивает скорость нанесения покрытия. Из установок, использующих метод распыления, наибольшее применение находят установки на основе магнетронов (MSIP - Magnetron Sputtering Ion Plating - ионное осаждение магнетронным распылением). При приложении высокого напряжения в атмосфере инертного газа (как правило, аргона) возникает тлеющий разряд. Ионы инертного газа из плазмы, обладающие высокой энергией, ударяются об мишень, включенную как катод. За счет ударного импульса материал распыляется, минуя промежуточную жидкую фазу. В этом случае, в отличие от установок с котлом, возможно произвольное расположение мишеней. С помощью магнитных полей (замкнутых и разомкнутых) путь электронов удлиняется (по спирали вдоль линий магнитного поля), увеличиваются плотность плазмы и ударная энергия. Позади мишени располагается магнитная система, определяющая распределение области распыления материала по всей поверхности мишени.

Метод магнетронного распыления

На сегодняшний день широкое распространение на территории России получила установка типа ННВ-6.6 (рисунок 1.19) для нанесения ионно-плазменным методом защитных, износостойких и декоративных покрытий из различных материалов (Ti, Zr, Cr, Mn, Al, Mo, W, их оксиды, нитриды и карбиды, сплавы). Особенности установки позволяют получать высококачественные однородные и многослойные покрытия при пониженных температурах.

Схема установки типа ННВ-6.6: 1 - камера, 2 - стол вращения, 3 - электродуговой испаритель, 4 - катод, 5 - стабилизирующая катушка, 6 - фокусирующая катушка, 7 - источник питания дуги, 8 - ис-точник опорного напряжения, 9 - источник высокого напряжения, 10 - бал-лон с реакционным газом, 11 - вакуумметр, 12 - форвакуумный насос, 13 - диффузионный паромасляный насос, 14 - пирометр.

Корпус имеет вид вертикального цилиндрического сосуда с боковым проемом, который закрывает дверца. Он выполнен с двойными стенками, образующими полость водоохлаждения. На боковых стенках корпуса установлены два электродуговых испарителя. Корпус с дверцей образует вакуумную камеру. На дверце установлен третий электродуговой испаритель, который может быть размещен и на верхней плоскости корпуса. Вакуумная система обеспечивает создание в рабочей камере необходимого рабочего давления. Регулирование остаточного давления выполняется с помощью автоматического регулятора напуска рабочего газа. Электрическая часть служит для электроснабжения установки и управления технологическим процессом. Электроснабжение производится от трехфазной сети напряжением 380 В, цепи управления питаются напряжением 220 В и частотой 50 Гц.

Высоковольтный источник питания, включает в себя тиристорный преобразователь напряжения, высоковольтный трансформатор и выпрямитель. Источник опорного напряжения, включает в себя тиристорный преобразователь (общий с высоковольтным источником), трансформатор и выпрямитель.

Такие установки изготавливает ОАО "Электротерм-93". Они предназначены для нанесения упрочняющих покрытий на инструмент и некоторые детали машин, а также декоративных покрытий на изделия широкой номенклатуры диаметром до 400 и длиной до 250 мм способом конденсации вещества с ионной бомбардировкой в вакууме. [20] Также свыше 25 лет ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" разрабатывает и внедряет в промышленность технологии ионно-плазменного напыления на режущий инструмент на установках типа ННВ 6.6 ("Булат") (рисунок 1.20). Наноградиентные покрытия из сепаративной плазмы дугового разряда - новое направление в PVD технологии. Полный комплект технологий и оборудования для осаждения ионно-плазменных твердых защитных покрытий на основе элементов: Ti, Al, Zr, Cr, Mo, Ni, C и др., и газов: N2, Ar, CnHk, O2, H2. В основу технологии положено сепарирование плазменного потока. [21]

Установка ННВ6.6 с сепаратором.

Состав установки включает в себя все необходимые части и узлы, для синтеза твердых, износостойких пленочных покрытий на основе соединений металлов, азотирования (азотирование - только для сталей HS, HSS, HSSE).

Существует также модернизированные установки ННВ6.6 с двухярусными испарителями для нанесения на более габаритные инструменты (рисунок 1.21). [21]

В России кроме ННВ6.6 существует участок НПО "Сатурн" ионно-плазменных покрытий, который оснащен специальным оборудованием для нанесения жаростойких покрытий на трактовые поверхности рабочих и сопловых лопаток газотурбинной техники методом ВЭПТВ на установках МАП. [22]

ОАО НПО "ЦНИИТМАШ" изготавливает промышленную установку NanoARCmaster (Рисунок 1.22). Она предназначена для ионного нанесения однослойных, многослойных, нанослойных и нанокомпозитных защитных и триботехнических покрытий на детали машин и режущий инструмент методом ионного осаждения с дуговым испарением. Для каждого типа инструментов и деталей рекомендованы определенные типы покрытий, запрограммированы стандартные режимы их нанесения. [23]

Магнетронная модификация оборудования позволяет наносить как однокомпонентные, так и многокомпонентные составы, в частности припои, подложки для пайки, заменять гальванические, а так же наносить жаростойкие покрытия.

Установка NanoARCmaster

Современные высокотехнологичные вакуумно-дуговые установки максимально возможно снижают размеры и количество капельной фазы. [23]

Один из мировых лидеров в этом секторе является Швейцарская фирма "Платит". Он занимается упрочнением режущих инструментов и быстроизнашиваемых деталей машин. "Платит" производит оборудование для нанесения покрытий, основанное на плазме. [24]

Покрытие наносится методом дугового испарения и магнетронным методом. С дуговым испарением производится такие установки как PL70, PL1001, PL2001. А так же имеется новые установки с боковыми вращающимися катодами (LARC®) и с центральными вращающимися катодами (CERC) ПЛАТИТ р80 и р300.

Установка ПЛАТИТ р80 и р300. а - LARC® (боковые вращающиеся катоды) б - CERC® (Центральные вращающиеся катоды).

С помощью таких технологий наносят следующие покрытия:

* Стандарт: TiN, TiAlN, AlTiN

* Дополнительный: TiCN-MP, TiAlCN, GRADVIC®, GRADVIC2®, ZrN, CrN, CROMVIC®, CROMVIC2®, nACRo

* Nanocomposite:nACo®, nACRo®, nATVIc®, nATTIVIc®, Fi-VIc®, Fi-TIVIc2®, nACRo®, nACVIc®

* Тройное покрытие: nACRo3, nATRCo3, nACo3®

* Монослои, Мультислои, нанослои, нанокомпазиционные, и их комбинации

Структура тройного покрытия nACRo3 показано на рисунке 1.24. [24]

Покрытие nACRo3 полученное на установке ПЛАТИТ р300 CERC технологией CERC

В Германии существует производство установок для нанесения ионно-плазменных покрытий (PVT Plasma und Vakuum Technik GmbH), которые имеют достойное место на мировом рынке с PVD технологиями нанесения покрытий под вакуумом. Дуговое испарение и магнетронный способ - самые универсальные методы осаждения в PVD для самого широкого диапазона материалов. Обе технологии используются, например, для нанесения покрытий тонкой пленки из AlTiN, TiAIN, TiCN, TiN, CrN, ZrN и т.д. Покрытия наносятся на карбид вольфрама, сталь, металлические подложки, пластмассы и керамику. Установка PVT S2/ARC является индустриальной небольшого размера вакуумной системой для нанесения покрытия. [25]

Установка PVT S2/ARC

покрытие вакуумный плазменный инструмент

Вывод по аналитическому обзору

На основании проведенного обзора литературы можно сделать следующий вывод:

1) На основании литературной проработки по методам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент показано, что нанесение износостойкого покрытия на инструментальные материалы позволяют приблизиться к созданию "идеального" материала, обладающей высокой износостойкостью в сочетании с достаточной прочностью и вязкостью. Он может удовлетворить самым высоким требованиям, предъявляемым к качеству, производительности и надежности.

2) Самым универсальным и эффективным среди существующих методов упрочнения является вакуумно-плазменное нанесение твердых покрытий.

3) В кожевенно-меховом производстве, в результате изнашивания, режущая кромка инструмента теряет свою первоначальную форму и, как следствие, режущую способность. Для восстановления режущей способности инструмента производится затачивание его рабочих поверхностей. В процессе затачивания инструмента с его рабочей части срезаются довольно большие слои дорогостоящего инструментального материала. Кроме того, на смену затупившегося инструмента затрачивается время, которое увеличивает продолжительность операции механической обработки, а следовательно и ее стоимость. Операция обработки резанием в кожевенно-меховом производстве используется от подготовительных операций до финишной обработки полуфабриката, поэтому, задача уменьшения интенсивности изнашивания режущих инструментов и увеличения срока его службы остается одной из задач кожевенно-мехового производства.

Размещено на Allbest.ru