автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение режущей способности инструмента нанесением многослойных покрытий с внутренним нитридным слоем

2 5 СЕ««95

Физико-технический институт Академии наук Беларуси

УДК 621.91.02:621.793

МИНЕВИЧ Александр Алексеевич

ПОВЫШЕНИЕ РЕЖУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ИНСТРУМЕНТА НАНЕСЕНИЕМ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ С ВНУТРЕННИМ НИТРИДНЫМ СЛОЕМ

Специальность 05.03.01 Процессы механической и фи:жко-

ТСХИИЧСГКОЙ обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ

. диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МННСК-1995

Работ» выполнена в Физико-техтг^скои институте Академии иаук Беларуси

Научный,руководитель заслуженный изобретатель РФ, доктор

■ техн. наук, профессор Л .А. Гшс

-.Официальные оппоненты академик АН Беларуси, доктор техн. наук,

профессор П.А.Витязь

кандидат техн. наук, доцент Л.М.Кожуро

Оппонирующая организация ПС> Минский инструментальный завод

Зашита диссертации состоится " 19 ■• октября 1995г. в ю часов на заседании совета по защите диссертаций.. Д.(И .18.01 по присуждению ученой степени доктора технических наук при Физико-техническом институте АН Беларуси по адресу: 220141, г, Миятк, Академгородок, уд, Жодииская, д. 4 С диссертацией ,мпо ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан " № "

Ученый секретарь совета по защите диссертаций, доктор технических наук М.К.Мицкедшч

О Б Щ А Я X А Р А К Т Е Р Й С Т И КАРЛ Б О Т Ы

АКТУАЛЬЙрСТЬ. В промышленности все большей внимание уделяется , разратботке и применению металлорежущего. инструмента с покрытиями, ¿ том числе .многослойными.^. Это' - стимулируется увеличением доли труднообраба-, , тываемых материалов в общем объеме разкерной механической обработки,. . повьапёнием; режимов резадшя, а также необходимостью ^ повышения безотказ-, пой работы тгётрумснте в автоматизированном производстве.

Однако, при производственных испытаниях инструментов с новыми " покрытиями, часто проблема обеспечения требуемой стойкости решается путем использования соединений более' дорогих-металлов (цирконйя, ' Гафния и др.). • Это, как • правило, сдерживает переход от успешных опытно-про.мышленных :. испытаний к внедрению. Именно поэтому особую актуальность приобретает задача создания Новых многослойных покрытий на основе таких известных и . ; сравнительно дещевых компонент, как, .карбиды; и нитриды титана,, обеспечивающих уровень свойств, близкий к 2rN И др. У- • •

Работа выпо.твя.чаеь в рймках республиканских H.ii'iiio-icxint'iecKiis программ "Машиностроение", ."Инструмент", "Вакуумная техника .и тех натопит* й других плановых.работ Физико-те-хничечкОгоинститута ЛИ Беларуси'.'- - ; '-,.'-

ЦЕЛЬ- РАБОТЫ. Определение' путем ..'повышения режу шей етшеобпост • инструмента ианссешнчм Miiiinkvioiiin.ix ка{У>пд!и>-нпфндпых нокрыпнТ с внутренним / -• барьером для ,(нффу.11111'.(«порода, и минимальным фадие/иом n:iiif)K>K<'»iiii. ,. .'

: МЕТОДЫ ЭКСИЕРИМЕПШЧЫЮт ПССЛЕЛОНМШЯ. llimpi.inia наносили на вакуу мной злектролутонон установке НУ t -Ii. Лабораторныенсиьмання режущих, инструмент!« • е ./ii<jkj)i>i'Iиямц' были проведены'. iia , станке Н>К20. .Составляющие силы резания намеряли при помощи тргхкомпош-м мимо динамомефа. УДМ-600. Износ резной определяли по величине фаски износа. .шлйей нпнерхнопи ' И по величине лунки износа передней поверхности: Тер.чо-д.л.с. измеряли homckuv естественной термонары. Кроме того были определены коэффициенты усадки с грч ж-кп, утл сдвига, коэффициент трепня/длима КонГактаинструментального и ¿Сглатываемого материала п др. '. '- - •'.'.■ >

Элементный состав покрытий н изношенных поверхностей изучали с ириме-. иепием MiiKpopeiiTreiiociieKTpa.Tbiibrii анализа на растровом 'злектрмниом микроскопе; Оснащенном системой Linfc-880'й Оже-алект|>оНн(>й cHtnap<>«:oiHm~jw''установке LAS;-3000. Качественный фазовый анализ образцов 'приводили на установке ДРОН-2.0 в' . ' СиКа -излучении при фокусировке.мо- Bp:jriy-6peiiTuWü. .Текстуру, нокрьггий оценивали по изменению соотношения между иНтейеивностямц рентгеновских рефлексов," а остаточные напряжения - по.их'смешении»..Йамерення микротвердости Покрытий

■ ' • ' • ' . .-J-.- -2 . ;■■■ ■ ;

'■tro'^'Bjucitqjcy • -лровЬдили ' да приборе ПЩ'-З; Топографию поверхности изучали . ирофилометриракмшем на приборе МЕ-10 и с примснениеи тмстрового электронного

Макрофотографииповерхности были, полученк методами •* 'Р фдового' контраста, xpow трго, 'съемку ' изношенных иавёрх-

; -да^н rtpôeoto двручеанях. Толщину покры-

.. ¿. $АУУН4Я ИОВИЩА:) Показано, что исйользование внутреннего барьер-.

■ ; яого^'лоя:-?Ш ■<. гвделоеа"титана".приводит. к повышению .{¿ежущей способности ' " нвет^мента .--с ' .дае«члн||^ЗУстаяов®ен0, »'.'та».. .минимум износа твердосплавных ■.'Пластин.,^ cv">ÍMofoÜoüH)HMH •'• покрытиями соответствует /.минимуму''- лраДйента

• напряжений гв^^кдоЫи'г-ЯДЯ; • покрытий', аналогичной, структура. Определена : *рн»фо1щаи - При- резании -аусгшитной i .¡стали ■ 1;Ш8Ш0Т wicipyMéiito^ покрытиями 'тапк'ТШ-ТЮТЛ!.- •• .

; . ■ fAROTM. . Разработан ' металлорежущий -инструмент с : многослойным Покрытием * (à.ç>CCGp /1009377К "HciloabadEajiiiei- режущих дасгрунемтов .с- ирелиюжсн/шми иансн^остойкнйи-покрытиями :о6есиечиёает «приросты стойкости в ,1,5-4,0 раза, на , ■' огДельиых позициях" .-'. до 27 раз. Приведенные / данные ' получены в пронэвод-: етвенных условиях во Всесоюзном ш1СтитуТ€'авиациоН1И>1Х йатериалов'.(г. Москва), ".. нй Бюрисойерои заводе автотракторного электр<х>6орудъвания, йа 'фкводе'^^змерп-тедь"' !{гНово11ап0цк), на .заводе БелАЗ {т.;. Жодино).' Годовой-. жотномиЧсскнй эффект от "исполшовання {шработашлях при .выполнении .диссертации иокрутий m условиях завода БАТЭ.Сорйцйл 33542 руб;(В пенах 198Ô года).. ; -

; ЛШЮИЛШт РАБОТЫ. Основные результаты диссертации были . предгтавлены'и додожеиы на 5CIV и XY научной конференции молодых ученых All БССР "Пучность, плаигЯчнооть и новые процессы получения ' и 'обработки ■ материалов", Минск, 19§5, ,Í9SPr: X,. XIY. .конференции молодых "ученых института " сверхтвердых материалов АН УССР ^"Получение, свойства-и - применение cftepx-твердых материалов'', Киев, 1985, 1989; НТС "Новый.высокоэффективный режущий

• ¿шетрумент и /о«юсгёа-с^дство,.'интшсвф»иса|»т'''.манш1ихпромтелм1ого нроиз-■.4щдсТва";^ Ленинград, 1В8Э; IJlïd !nt.;Synip. "Tfibological Problems of;Elemonts Opéra--tíug: in . Contact ^i^SYÇiQNT'90, Crârow, Pôkud,. cc>nHia¡¿ "Прогрессивные

'/процессы .'oûj^^Kii^ait^^iwV.fi^^^^:' Щ- Ó.wf- "í'RQNTIÍERS OF ТШ -" -BpLOGY'/'Stratford-ttpon^Avon, ■ U.K-i .'1991;' НТС "Вакуумные покрытия". Слор-i'oiib, 19ЦЗ; 9 Í0t!. Int. Cot. oit Plasina Processes. Antilxs-U-s l'ins. Frunce. tК«. t!«.">; , 4tb-lnt. Symp; on Trçnils and New Applications in. T.hiiï -FHiui, Diestíeji, Germany. ' 1,994; 4th - ÏHt. . .Oonf,. о» Plasiña. : S^rfoi-ç -'Engineering,-- Garmiscli-Parlenkircheiv, ' /Оегпгапу, 199-1; 4'th Jtit. /Tfiboirt^ Çbnf, Perth, VV4^u-tn Australia;

.■'•HWK "НЭкосостоикт-ть, машин".,Брянск,1995; 2 РИТК "Современные матерналы.

_оборудование я технологии упрочнений и восстановления деталей машин", Ново-полоцк, 1995. В целом работа обсуждена иа заседании кафедры технологии машиностроения- Калининградского технического института и на расширенном заседании . лаборатории ионно-плазменных4-. высокотемпературных покрытий ФТИ - АН Беларуси, ■ •■'.■■•

/ ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований опубликовано свыше 20 печатных работ и получено 3 авторских свидетельства СССР на изобретения. '

СТРУКТУРА И ОЩЕМ РАБОТЫ -Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 119 наименований и. содержит - 99 страниц машинописного текста, 21 таблицу, 42 рисунка.■

О с н О В II О Е С О Д Е Р ЖАН И Е РА.Б ОТЫ

Во введений дана общая характеристика работы, сформулированы ее актальность, новизна, цель и'задачи исследования-..

В первой главе "Современное состояние вопроса '¡г постановка задачи исследования" рассмотрено изменение структуры и свойств покрытии в зависимости от условий их формирования, основные модели трения и механизмы »»нашивания, обсуждены особенности фрикционного' взаимодействия при резании. . Изучен отечественный и .зарубежный опыт эксплуатации режущих шктрулкии»« с' покрытиями, проведен анализ основных тенденций в разработке композиционных покрытий сложного состава. .

Показано, ~ что, несмотря на обилие '.экспериментальных и теоретических исследований, теория, позволяющая с высокой степенью надежности п|>огжии|кшап, режушие свойства инструментов' с покрытиями, "отсутствует .Многие положении продолжают пересматриваться и обсуждаться. Например, установленный в 198.» году факт, о снижении длины контакта передней грани инструмента со стружкой за счет применения износостойких покрытии (Л.С. Верешака, С.С. Силин,' Россия; П. Дирнли, Великобритания и др.). II. Ннминен (Финляндия) перепроверяет и. Опровергает в 1989 году. Вопрос об образовании мккрйкаиельных включений чистых -металлов в карбидных п нитридных покрытиях, нанесенных вакуумным .электродуговым .методом, и их влиянии на адгезионную составляющую трёГгия был' . решен 10 лет назад. Но в 1993 году он вновь становится предмето.ч исследования.... СЛ*. Сандгрен,.Швеция).• ' > •'

Далее, иллюстрируется, что, для выбора' физического критерия. Предварительной оценки, эксплуатационных свойств инструмента С многослойным^ ,

покрытиями целесообразно проверить гипотезу а корреляции минимума износа

покрытийминимальному градиенту остаточных напряжений-.

. ' . . . . -'": min Igrad ol => min I,

где grad с - градиеОТ напряжений в покрытии, а I - величина наноса.

Анализ- исследований,'в области инструмента с многослойными покрытиями показывает, -что при формировании покрытий последовательно наносят адгезионный, барьерный и'поверхностный слои, проводят предварительную модификацию инструментальной основы, иомно-стимулированное нанесение покрытия, нанесение жаростойких композиций в качестве верхнего слоя,. Дальнейшее совершенствование- структуры многослойных покрытий возможно путем выявления критериев выбора jiami-олальпой структурыпокрытий, определяемой количеством, толщиной и взаимным . расположенной отдельных слоев: " ' ;

■ Вб второй главё Экспериментальное исследование плияния мо^осЛоиных покрытий.на контактные характеристики pexymitx лезвии" проводится "Детальный анализ базового объекта в качестве которого выбраны однослойные покрытия TiN: ' Выбор рациональной толщины износостойких покрытий и технологических параметров нанесения осуществляется на основе результатов испытаний модельных образцов по схеме "диск-колодка" в инактивной среде вазелинового масла (скорость' скольжеиия 0,1 м/с; материал контртела - сталь 45). Покрытия наносила вакуумным электродуговым методом при токе дуги 80-120 А, напряжении на подложке 50-

• 200 В, давлении реакционного газа 0.01-0,3 Па." Увеличение тока дуги в данном диапазоне приводит к уветичению концентрации и размеров капельной компоненты плазмы, при .увеличении давления реакционного газа и напряжения содержание

. микрокапель в покрытии уменьшается. .'■ Однако увеличение • напряжения одновременно приводит;* сйижению скорости роста покрытия.

Шероховатость Пилш|ШЮСти покрытия TiN в диапазоне толщин 1-10 мкм прямо пропорциональна толщине покрытия. Равновесная шероховатость поверхности покрытия, формирующаяся при трепли составляет 0,4 мкм, что соответствует толщине покрытия 4-5 Мкм, которая и принимается за оптимальную. Одновременно, коэффициент тренйя* покрьгом TiN 2 мкм без смазки, оказывается ниже, чем TiN 9 . мкм в смазку-Более того, растровая электронная\Интроскопия изношенных образ-.

цов показывает наличие хруггкихсколов покрытий TIN толщиной 9-10 мкм. При - толщине покрытия -меньше .0,8-1,0 :мкм деформация подложки приводит V разрушен июпокрытия Установлено, что Микрокапельные включения a-Ti на поверхности '. покрытия нитрида или карбонйтрида оказывают, влияние на адгезионную сосгац-

• ляющуютрсния. Увеличение количества .a-Ti s покрытии'TiN от 10 до 20 нри: водит, к изменению коэффициента тренКя ог 0,15 до 0,20.

При резании в качестве инструментальных ^материалов били • выбраны быстрорежущая сталь F6M5, твердые сплавы "ШКб, BKS и ВКЗМ, -а в качестве . обрабатымбйых материалов - стали 40Х, 12Х18Н10Т, чугун 134-35, сплав ВТЗ-1.

Сталь 40Х точили резцом Т15К6 с покрытием TiN ¡1 бсэ покрытия (передний угол у=-10°,- задний угол а=10°, главный угол в плане ф=92°, вспомогательный угол ■ в плане ф]=7°. и угол наклона режущей "кромки. Х=-4°). При этом были использованы следующие режимы резаямя: V = 60 - 220 м/мни; s - 0,1 мм/06; t = 0,5 мм. Установлено, Что при скйрости резания-70 - 80 м/jfnn применение покрытий из нитрида титана-, привело к снижению ¡износа по ' задней грани на 30% по - сравнению с-инструментом без покрытия В то же время, при. скорости резания свыше 120 Л!/мин износ инструмента с покрытием был в 2,0-2,5 раза ниже, чем инструмента без покрытия. Статистически значимое снижение силы резания в .этом эксперименте обнаружено не было. .

В общем случае было подтверждено, что использование нитрндпых покрытий приводит к уменьшению адгезионного взаимодействуя с обрабатываемым материалом, снижению силовой и тепловой нагружешюгти фрикционного контакта. Это приводит к перераспределению контактных нагрузок на* передней и задней грани режущего клина и существенной трансформации напряженного состояния; уменьшается длила контакта между инструментальным и обрабатьшае'мым материалом и уровень сжимающих напряжений в режушем клине. Экспериментально установлено, что допустимый износ для.'резца с- покрытием ниже, чем для pe.ina без покрытия, однако интенсивность износа также существенно меньше* I IrriipHMtj», при точоннн-чугуна 64-35 (\' = 50 м мин; s = 0,15 мм .об: t = 0.25 мм)-было обнаружено,.¡ан> -при резаНни инструментом без покрытия катастрофический шног начинался При Ь4 -= 0,4 мм, а с покрытием TiN - h;i•=.0,25 мм.

В'Некоторых случая.х, например/ при обраТютКе енлана НТЗ-1 покрытие TiN -оказывайся неэффективным. В этих экспериментах-у =.10°, u «= 9"30',-tj> = <р| = 45", ' л—6°30', V=9-l 15 м мин; s=0,05-6,15 мм об; • t=0,5-l,0 мм. Одновременно, аналогичные покрытия из ZrN приводят к уже рассмотренным благоприятным ■изменениям в системе "режущее ле.чвие-стружка-деталь". Варьирование скорости, резания в диапазоне от 9 м мин до 115 м. мин нозеолило^нроиллюстрНрокать также ■снижение величины термо-э.д.с. для инструмента, с покрытием и подавление ¡наросто-образования. Последнее выражалось в отсутствии максимума на зависимости силы резания от скорости в диапазоне скоростей :от -30. м,'"мия до/80 м мин. Для расчета эксплуатационных напряжений в режущем кдине (глава 3) из рассмотренной серии экспериментальных примеров* были выбраны .данные, иллюстрирующие качественную картину "изменения контактных характеристик .за счет использования покрытий (Таблица 1);

Таблица 1. .

Подача, Длина контак- •Длина контак- Pz, Н Ру, Н~

Инструмент мм/об та по перед- та по задней

■ ' ней грани, мм ■ грани, мм

без 'покрытия 0,035 0,55 0,20 250 235

без покрытия 0,28 0,95 0;50 2000 900 .

•с покрытием TIN 0,035 0,20 . 0,10 _ . 120 .100. .

с покрытием TiN i 0,28 0,70. 0,25 1350 ..70()- !

". В- третьей главе "Теоретическое Исследование 'влияния износостойких ■покрытий на контактные характеристики режущих лезвий" дан теоретический, ана-.:■ лиз контактного взаимодействия В системе "рёжушее лезВнё-йнструмеит-стружка", а также напряженнЬго состояния многослойных покрытий различной структуры. "Принимая во.внимание тот факт, что напряжения в многослойных покрытиях . складываются Из трех составляющих - температурных напряжений, внутренних напряжений, вызванных Неоднородностью структуры отдельных слоев и эксплуатационных напряжений, теоретические расчеты были разделении» две стадии.

На первой стадии был выполнен расчет эксплуатационных напряжений в : реЖуЩем клине. При этом модельный анализ процесса резания инструментом с ПЬКрЫтИей базировался на том, что не обладая 'несущей, способностью, микронные , Покрытия изменяют только контактные условия. Уменьшение силы трения между Инструментальным и обрабатываемым материалом "Означает,-что результирующая сИла резания изменяет свое направление и угол сдвига увеличивается. Вследствие Этого уменьшается длина контакта 'стружки по передней поверхности инструмента.

По предложенным формам ¿шор и с учетом экспериментальных данных (таблица 1) были' проведены расчеты полей напряжений в режущем лезади. Изучение, напряженного состояния проводилось в рамках теории упругости с применением функции напряжений Эри (итерационный метод Хетеньи), Точки и ; линии опасных напряжений определялись по критерию Кулона-Мора:

Оэкв =<1 " Х> (ох- + <1у)/2 + (1 + х> <*у>2/4 + тху2>~

. • Здесь х '-.коэффициент, учитывающий влияние температуры (х=03)

• ". ; Проведенные расчеты Показывают, что интенсивное контактное разрушение / ржущих лезвий начинается для резца с покрытием при фаске износа [Ь3]>0,3 мм, а

• для резца без покрытия - при {Ь3]>0,5мм. Вместе с тем, интенсивность изнашивания

резцов с покрытием на 'задней грани ниже, чем Йрезаой. без аакрытя, «ггй по; внднмоуу.обустовлеяоперераспределевдемнагрузки на передней поверхности.

- " т\нализ полей напряжений позввляет-рекомендовать некоторые изменения в " геометрии резаов с тжрзьгпхями. На задней поверхности целесообразно использовать укороченные плошадки ве.ти??вд<)!(Л:-^Р1э]. Еслнца передней поверхностп-резцов без '•'■ покрытий целесообразно созд^геуттрочияющей-фаскя, то для резцов с покрытиями . - формирование острой режущей кромки. Кроме- того» на передней поверхности . ^целесообразно c,^pMWjMat&Tyfiacjr;íra дляяе JMJqaKTa со^тружкой с максимальной глубиной s точке максимумаэпюры-напряжений. : :

, Внутренние напрякенияв.. покрытиях , были исключены из рассмотрения, поскольку структура отдельных слоев предполагалась гомогенной. При расчете термических напряжений и их градиента учитывались различия коэффициентов, термического расширения материалов отдельных, слоев покрытия и 'инструментальной основы; соответствующих коэффициентов Пуассона и .модулей. упругости.' Для определения напряжений в слоях была составлена и решена па методу Гаусса система из N уравнений (N - число слоев). Первое уравнение-определяло равновесие сил в системе "покрытие-подложка",Следующие.N - t независимых уравнений Лмди' , записаны, основываясь на том, что деформации в соседних слоях покрытия раины между собой. Затем был рассчитан градиент Щ1ряженпй ! girad crf= | Дг!.

• Анализ- расчетных данных показывает, что в покрытии формируются сжимающие термические напряжения. Уровец!»* иа'пряясрнрй -для нИтриД.ч -титана несколько выше;, чем для карбида и возрастает с увеличением температуры нагрева,. Одновременно в подложке, генерируются растягивающее напряжения. В. слоях Tig' »1 TiN двухслойного' покрытия независимо от относительного 'расцод<икения слое«" формируются сжимающие цапряжения. при зтом минимальный градиент напряжений имеет место в покрытиях с малой трлщцнйИ fgflgStiauoK»-еле*. Например, при1 температуре ДТ=500 °С для покрьгпш 1 мкм" Tip 3 Мш TiM .ii нижмем карбидном С-тое уровень напряжений равняется - 1,1 ГГ?а, а ft верхнем сдое - 2.3 ГПа. ÍJlaw-нёние толщины слоя Ti С в диапазоне 1-3 mícm ^дя двухедоданых покрытий TIC -TiN толщиной 4 мкм приводит к увеличению градиента напряжений от 1 до 7 ГПа -мям. Отличительной чертой трехслойных покрытий щг/й TiN-T¡C-T¡N явдяргся формирование сжимающих напряжений, в нитридцых р лрахрастягцвакпниХ в слое «арбида титана. Уровень напряжений в этом случае несколько. выше, „чем в ■ двухслойных покрытиях, но минимальный; градиент напря)кений'^дскпэ1гается также -при малой толщине слоя TiC. . . ..

Для верификации расчетных- дани^нс была продедеца также экспериментальная оценка уровня напряжений в покрытии TiN нанесенном на тверд«* ' сшм*ную основу. Анализ рентгеновский рефлексов TiN(200) бцш проведен в прея- •

положении плоского напряженного состояния покрытой и гомогенности структуры получаемого нитрида титана. Порядок экспериментальной величины.напряжений о = 5,1 Ша совпадает с расчетными величинами.

В четвертой главе' "Разработка на основе ТШ и Т>С многослойных ионяо-длзамешшх покрытии" рассматриваются слоистые, покрытия, различающиеся коли- честном, толщиной слоев из ТШ й ТгС, и их взаимным расположением.

Идеальное покрытие, обеспечньаюшее требуемое изменение контактных условий в процессе резания должно обладать высокой адгезией к твердосплавной основе., низким .трением по'обрабатываемому материалу, высоко)! износостойкостью и отвечать критерию .минимального градиента остаточных напряжений. . - Анализ структуры известных многослойных покрытий на основе карбида и нитрида'титана показывает, что наиболее распространенной" является структура "ПС-Т(С,7ч,)-Т]\ с прилегающим к подложке карбидным слоем.',Выбор такой, структуры ■ • обусловлен, высокой диффузионной подвижностью атомов углерода, обеспечивающей высокую адгезию покрытия к подложке. Поскольку твердость карбида ■ титана выше, чем соответствующего нитрида, обычно предполагают, что максимальная износостойкость будет обеспечена при толщине сЛоя НС большей, чем Т1М, . В действительности это не.согласуется с критерием минимального градиента напряжений в покрытии. Кроме того, получаемый электродуговым осаждением в " вакууме Т1С обладает.повышенно)! хрупкостью, т.к. ои оказывается насыщенным атомами водорода. Причина заключается в использовании в качестве реакционною газа углеводородных соединений. Более того, агамы водорода диффундируют вглубь инструментальной основы, приводя также к ее охрупчиванию. Решением этой проблемы является нанесение промежуточного барьерного слоя ТМ, толщиной 0,51,0 мкм защищающего инструментальную основу от насыщения водородом н обеспечивающего более плавный переход свойств от подложки к самому твердому слою многослойного покрытия. При этом используется структура покрытия типа. ТМ-ТСС-ТСЫ. Использование 'ПК'в качестве верхнего слоя, обусловлено его высокой , термодинамической стабильностью по сравнению с "ПС и способностью лучше противостоять ударным нагрузкам вследствие его относительно высокой пластич-ностн. Для обеспечения требуемого уровня адгезионной прочности, а также усиления барьерного эффекта на границе раздела "покрытие подложка'-' во ■ всей совокупности рассматриваемых покрытий использовался подслой чистого титана . (или циркония) толщиной 0,1-0,5 мкм.

8 проведенных экспериментах были использованы резцы, следующей . геометрии: для пластин Т15К6 - у=-8°, а=8<', <р=90°, <р]=10°, л=8°; для пластин В Кб -- -г=4°, а=10°, ф=45°, (р! =45° и Х=-3°

При испытании, пластин Т15К6 с различным» покрытиями (таблица 2) скорость резания изменялась от 20 до 35 м/мин; подача - от 0,2 до'0,4 мм/об; глубина резания была 0,'5-1,0 мм.

Таблица 2.

11'. Без покрытия (Т15К6) 1

12. Монослойное локрытие_ 4 мкм "ПЫ , : "

з: Двухслойное покрытие 3 мкм ПС + 1 мкм'™

14. Трехслойное, покрытие 1 мкм Ш мкм Т'С + 2 мкм Ш

5. Трехслойное покрытие 0,5 -мкм Т1Ы + 3 мкм ТЮ .+ 2 мкм ТМ

6. Трехслойное покрытие 0,5 мкм Т1К + 4 мкм Т1С-+ 1 мкм Т1Ы

¡7. Монослойное покрытие 4 мкм 2гК

Из анализа полученных результатов следует, что износ инструмента' с покрытием 2гЫ существенно меньше, чем для Т1М Покрытие тина ТМгТ1С-Т!Ы- при некоторых режимах резання мало уступает (Рис. 1). ОноТинбадее эффективно при малой толщине карбидного слоя. При увеличении толщины карбидного- слоя до 4 мкм происходит хрупкое разрущение___цакрыт1гя; ведущее снижений режущей способности и даже хрупкому выкрашиванию режущего лезвия. Подтверждается снижение силы резания для покрытий и многослойных покрьтп'к по сравнении! с инструментом без покрытия (Рис. 2). Самая малая длина контакта стружки с передней поверхностью режущего клина 1=1,4-1,9 мм была при' точении инструментом с трехслойным покрытием .V? 4 (таблица 3). Для сравнений отметим, что при резании - инструментом без покрытия 1=1,7-2,5 мм. Соответствующие величины усадки стружки, приведены на Рис. 3. Статистически значимое изменение коэффициента трения (его увеличение) пи/яв./сло лишь для покрытий с наибольшей толщ1п)ой карбидного слоя. Данный факт объясняется хрупким разрушением слоистого покрытия, приводящим к формированию" исключительно развитой топографии передней поверхности инструмента. Это приводит к значительному увеличению фактической площади контакта инструментального материала со стружкой и росту силы трения.. .

Следующим шагом экспериментального исследования была перепроверка положения о рациональной структуре Покрытия с малой - толщиной - слоя ТЮ в других условиях резания (точение чугуна ВЧ-30-пластинами ВКб'при подаче СОЖ и V =47 м мин, Б =0.36 мм об, I =3 мм). Показано, что увеличение толщины сЛоя

Т1С в двухслойных покрытиях Т)С-Т1\' общей толщиной 4 мкм от 1 мкм до 4 мкм

-*

приводит к статистически значимому увеличению параметра решетки от 0,4246нмдо 0,4299 ,нм, и соитветстнуыихему увеличению износа по задней грани от 0,09.мм до

2 3 4

Рис. 1. Износ по задней/грани резцов с покрытиями (V «* 35 м/мин., в-0,3 мм/об; 1=0,5 мм), (1 : №1 в табл. 2, 2 - 3 -.№4,-4 - №7). '

,Рис. ■ 3. Усадка' Стружки при точении ■ резцами с покрытиями (см. Рис. 1).

120

80

Нз, ■

40

. . 0

Рис,2. Сяла/резмгцц при точение рйздЫи Ф Мкрйтия[ми (чт Р«р. 1)

Рцс, 4. Износ по задней 1-рани резцов с рокрытнями (V 80 к/цш.^ ; :а~&2 Ц^/об, мм), (1 - >81-в*

.. ту

и

0,11 мм. Сопоставление этих результатов (а также, данных по сравнению различных ■ покрытий при обработке. аустениТной стали 12Х18Ж ОТ) с данными теорепшеского исследования" остаточных напряжений - показывает, что они коррелируют между Собой. . ' • ' - • .

На следующем этапе исследования' основной акцент был сделан на зависимостях режущей способности от количества слоев в многослойном покрытии (таблица 3-,.рис. 4). \ .

Таблица 3. ••■.'-.

11. Монослойное покрытие 4 мкм Т>Ы , |

1 2. Монослойное покрытие 4 мкм ТЮ |

1 3' Двухслойное покрытие 1 мкм ТЮ +• 3 мкм Т1Ы , . |

4. ■ Трехслойное покрытие ' 1 мкм Т)Ы ■+ 1 мкм "ПС + 3 мкм ТМ ' |

1 5' ПятнсЛойпое Покрытие 1 мкм ТМ + 1 мкм ТЮ + 1 мкм ТМ + 1 мкм Т!С | +1. мкм ,Т1Ы . '. " '■ |

Скорость резания в этой серии экспериментов изменялась4от 40 до 100 м/мин, ' подача - от 0,1 до 0,3 мм об, глубина резания была ОД мм. Установлено, что наибольшую режушуго способность Инструмента обеспечивают нятислойные покрытия; для трехслойных покрытий наилучшей . является структура с малой толщиной слоя Т1С, равной примерно 1 мЯм. Анилна''подученных с нримгисГдам Оже-снектроскотш концентрационных Профилей распределения N )Г С но шчхШ покрытия показывает, что на границах между сдоями .Т1С |Г.*Ш имеется»«^»Ь-Т^ССЛ); достигающий 0,5 - 1,0 мкм. Это означает, что при общей толщине покрытия 5 мкм. увеличение количества слоев в Покрытии более пяти нецелесообразно, т.к. в это\1 случае формируется мопослойная структура покрытия* ТНС.Ы). Модельные испытания покрытий ТКС,Ь») показывают, что снижение скорости изнашивания По сравнению с Тп\' было незначительным. Однак!) их адгезия к подложке, оцененная но величине усилия . задирообразонания была . примерно в 2,5 разаЧшше, Чем у Т1Ы- Поэтому основные преимущества Покрытий ТКС.Ы) перед Т1Ы связываются с ?1х высокой адгезией к подложке. • Поскольку структурные характеристики покрыгНй аналогичны, а--также т.к. • вследствие одинаковой текстуры', исключается йли'япис ориентационных аффектов^ можно > предполагать, что основной причиной Высокой адгезии является высокая диффузионная подвижность атомов С. Однако возможность обеспечения достаточной для режущею инструмента адгезионной прочности слоя Т>Ы делает нецелесообразным использование тнтгелйййъйс покрытий (а. фактически моио- ': Слойного карбонитрида титана).

- 011ьтю-]]|)пмы111лспные Испытания Инструмента были, проведены как с • шкрытвяхга на опюве: TiC и TIN, так и с аналогичными покрытиями 2rN-ZrC-2rN. : Йоскольет * о^и п0)иза.# существенное пбвыдиение. режущей -способности, м&йсно

^frid^flfti&fr'crp^tfl*1* многослойных покрытий с внутренним могут быть распространены на более широкий класс лс«адниенй11 переходных металлов.. .

"-\ АвйДнэ поверхности передней й задней грани изношенных режущих йластйн с : '.'элёктровной микроскопии -и микроанализа .позволил ■ -.выявить сДедук>01не физические: особенности its изнашивания. На рёжушей кромке гнокрмтйё 'исчезает в;.первые секунды процесса - резания. В области Vftpyro-лластнческого контакта стружки ; с покрытием имеет место схватывание "абрЕбат^таемого материала с инструментом по- микрОкапелЪным включениям-a:Ti. "';М)1крпэдЗдиз/••характерных/.'зон на режучдих элементах с однослойными и '■''.»шЬтослоШшми покрытиями,' а также .образующегося налшмн прирезцобои стороны .''CTpyk'Kit'ноказа.т следующее. .В зонах на передней и задней.грани ,инструмента,/где •'. [покрытие', .отсутствует,имеются -противоположно 'направленные диффузионные ."потоки "атомов вольфрама н кобальта в обрабатываемый материал, и атомов железа "в , лш.стру.ментальиый материал: - Анализ • численных величин -концентрации этих .элементов показывает, что для., многослойных . -покрытой . интенсивность - дНффузноййых процессов,-а значит н диффузионный износ значительно ниже. 'Вместе с тем подученные данные не -позволяют разделить Два iipoueccp -при . изнашивании твердосплавной матрицы в зонах,'-где покрытие отсутствует - прямое растворение карбидов II их унос в результате сегрегации железа по границам зерен н /ослабления Нх- сцепления с кобальтовой связкой. .Высокое содержание, железа '. обнаружено как в 'зоне скола, где. покрытие отсутствует н имеется глубокая впадина -.напереднейтраИи резца, »тйк и на,поверхности покрытия в области пластического' -»контакта. Это, говорит о Значительном влиянии степени деформации материала стружки вприкойтактной зоне на'величину .адгезионной составляющей трения..

" ВЫВОДЫ ПО PA/iOTE: V' ..

t У Установлено,/чтб »минимум, »эпоса твердосплавных пластин с многослойными - , - покрытиями из основе Т(С и TiNсоответствует минимуму градиента напряжений в :' покрытии для покрытий с. аналогичной структурой. Эта закономерность может использоваться для конструирования структур йзнЬсостонких.. многослойных

- покрытий из любых материалов отдельных слоев. • „2. Показано, что/р^цнонаданай стру-ктур^многослойнбго покрытия на основе TiN и

TiC содержит внутренний, и внешний слои TiN, причем внутренний барьерный

- слой содержит подслой из чистого титана толшпйой 0,1-0,2 мкм ц елой нитрида ■ титана толщиной примерно 1 мкм. .

: 3... Доказано"," что. рациональная толщина промежуточных ' слоев TiC равняется примерно, 1 мкм. Поскольку толщина карбонитридных слоен на границах TiC и • TiN равняется 0,5-1,0 .мКм, то Максимальное число слоев в покрытии. 5, дальнейшее увеличение числа слоев приводит « монослойнойсТруктуре Ti(C,N) и . исчезновению эф4»«я^ мй0гослойности.

4. Подтверждена 'Ч'вг (финенсн!» изяоеосттайк^^ уменьшение адгезионной составляющей коэффициента трения между инструментальным и обрабатываемым материалом ■ в зоне :упруго^пластяческого ' контакта, - силовой , и тепловой нагруженности сопряжения,, увеличение угла сдвига и соответствующее " уменьшение длины'контакта; по передней грани.

5. На примере резания аустенитной стали 12Х18Н10Т показано, что диффузионнай миграция атомов на-границе инструментального и обрабатываемого .материала Подавляется в зоне упруго-пластического - контакта/ В зонах', „хде покрытие отсутствует, имеют место .те же диффузйбиные процессы;' что и для инструмента без покрытия, но , их интенсивность ниже д?гя пластин с предложенным)!

. многослойными покрытиями но сравнению смоиослойным, '■

6. Разработанные режущие инструменты с Многое Лонными покрытиями ¡(а.с. СССР .V« 1600377), прошли опытно-промыШленнуо проверку и внедрены в производство на заводе автотракторного элсктрооборудонанИя (г. Борисов) п на Заводе "Измеритель" (г. Новололонк). В среднем они. .ойее«ечи«а*1Т'иойыи|<чи«'.-сп>йк«сп» инструмента в 1,5-2,0 раза по сравнению с традиционным нитридом титана-.'

. Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:: .

1. Миневич A.A. О влиянии термических .напряжении.на фрикционные свойства материалов-с покрытиями. Тез. докл. XIV научной-конференции мо.то.Ых ученых АЦ БССР "Прочность, пластичность и-ноцък-. процессы получения И обработки материалов", Минск,- Наука-И техника. !У8.">. - С. 80. "•; , .. ' .

2. Миневич A.A., Лоико В.А., .Терехова С.N1.. Фрикционные снойстна покрытий Ti(C.N'). В сб. "Сверхтвердые ц тугсшлапкпх материалы". Киев, НСМ 'АН УССР, 1985. - С.49-52. '';.'' .''.'-.. -' -'.''.-.' Д ' .."•,'

3. Марков Г.в:, Миневич A.A.,. Леиченко' .Т.С: : Повышение «»ксплуатацшшиых . свойств твердосплавных пластин. Тез. дохл, жщытм копф. 29-30: мая. 1989 п; "Рациональная эксплуатация и инструмен-тобслуживанне станкоа с.ЧЙУ'и ГПС." -1 ■ Пенза, ПДНТП, 1989. - С. 72-73. '",- -1'. - ■'."•-'';. -. , ^ ' , ' ■

4. Миневич A.A. .О распределении напряжений на передней грани режущий инструментов е" покрытиями. Tei. докл. научной конференции "молодых учен'их"АН'

БССР "Прочность, Пластичность материалов и - новые процессы получения и-обработки", Минск 29-30 марта 1990 г.,Минск, БелНИИНТИ,-*990..- С, 23.

5. Миневич А.А. Влияние многослойных покрытий на износ твердосплавного _ режущего инструмента. Там же. - С.-24. .-"•'■ -

6. Миневич А.А. Износ многослойных покрытий на основе тугоплавких соединений титана.': В сб. "Получение, свойства . сверхтвердых материалов и перспективные технологии Их применения", Киев, КСМ АН УССР, 1990, - С. 138-139.

. 7. Марков Г.В., Миневич А.А. Стойкость режущих, инструментов с износостойкими покрытиями после переточки. Тез. докл. ВНТК "Пути повышения стейкостй ц надежности режущих и.штамповьгх инструментов", Николаев, 1990. - С. 66-67. 8. Марков Г. В., Миневич А. А. Оптимизация структуры износостойких •двухслойных покрытий TiC.-TiN. "Высокоэффективное оборудование и процессы упрочнения режущих инструментов и деталей машин", Тез. докл. РНТК, Могилев, 20-21 ноября 1990, Минск. - БелНИИНТИ, 1990. - С. 94. . . •

• 9. Миневич А.А., Хейфец М.Л. Механизм износа лезвий, упрочненные покрытиями, и рекомендации по проектированию и эксплуатации инструментов С покрытиями. Тез. докл. III Всесоюзн. НТС "Пути повышения эффективности использования . режущего инструмента", М., ВНИИТЭМР, 1991.- С. 79-81.

10. 'Gick L.A., Minevich A.A. Effect of oxide natural films and ZrN PVD coatings on tribological properties of cemented carbides, 1992 STLE Annual Meeting, May 4-7, •Philadelphia, PA.. .

11. Minevich A.A.. Wear of cemented carbide cutting inserts with multilayer Ti-based PVD coatings. Surface & Coatings Technology, 1992. - Vol: .53, - No. 2. --P. 161-170..

12. Minevich A.A., Markov G.V., Chebotko I.S. Some " properties of TiN. DC magnetron sputter deposited on a steel substrate. Proc. 9th Int. Col. on Plasma Processes, June 6-11, 1993, Antij^Juan-ies-Pms, France. - P. 364-366.

13. Eizner B.A., Mafkov G.V., Minevich A.A. CAE Multicomponent Coatings: Technology and Industrial Applicatidns. - Thin Films./'Eds. G. Hccht, F. Richter, J *

. Hahn.- DGM Verlag, Oberursel. - 1994. - P. 60-64. t4. Gick L.A., Minevich A.A. Effect of oxide natural, films and ZrN PVD coatings on performance of rotary- cutting tools, Proc. of the 4th Int. Tribology Conference AUSTRIB'94, 5-8 December, 1994, Perth, Western Australia. - Vol. 2. P. 489-493. 15. Миневич A.A-., Майер цу Кокер Т. -Трибологические свойства некоторых китридных покрытий. В сб.; Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин, Нрвополоцк, 1995. - С. 77-78

Кроме того, получены а.е. СССР № 1180755, № 1569348 и № 1600377.

" -V- 15 '■.'.. .-.-; • ' ; . . резюме . :

" . Миневот Александр "' Алексеевич. ,'повй111£нйе '■';'" .режущей. шособш^ многослойных

.. ■■ V '

' Ключйвмб оода:;: 'щг^^ШЬ^^и^ср^па^ ^ит^йды, карбйды- , тайна,." йпрконля, рецуы&я способность ^нсфумента; вйутренк.нй,^ тешйий елЬй,. градиент ;остаточшахт1а1фяя^йй-У',- :" ■•■'-/■ .•.."' .-'• .-■:"-'"'-■''<' '-V ''

диапазоне; режимов,.рёзаийя, а такЖе их: взаимосвязь'со " слоев ¿^яда'^ннтряда.^ш^'-^&йна',' взаимное; расположение) и напряженным-стоянием У-Цель повышение рёзкущой способности Инструмента. * ' ... * . • .•..'•;'

■Экспфиментально-тсрретйческие исследования''режущей'способности «негру--¡чентой с' покрытия!№ покажет, »н^ходимость.нснапьзованйя 1ш\тренйег<у б&рьер-. ного'слоя мнтрвда"титана в .многослойных покрытиях. Остановлен», что'величина . износа твердосплавных ПласТПМ;'с; мнйгЬйЛйииммя'^ иокрытийМм. ксфрелирует С вели- ; чтгай градиента остаточных нииряжеттн.'. С'_ор»мейсй<1с$»•• 'смфем&тнйг методов исследования изучены особеиност!? нзнанитанмА т^ердосиЛавны'Я пластин с много- : елейными покрытиями. ■, ' : - '; ''.\.'. - ■• .

' .Предложен .•физический критерий .для. к<Н)стр\Ч|рн(аййАТ1:1н<>сосг^й1ки.\ много-слоиних покрытий 11 па ею осионс разработаны ионьн? »тогт ло^пнйспокрытия Для шитру.мента, (^бесисчпвакнцпе понынкчше его ^жуншй гиЛСоЛкктн..

,■ 'Результаты рабоГйЧшедреши пц Бор^иЫком Уитод'еаетптДОподту эдскдоь .' оборудования н ланаде . ?I Ьодмпся*"- ' '<г... гНоВй1И>.1онк')." :'Оцн\ йрнменпмы. . предприятий изготовителей «Лютребитслейрежущего н'пструмента;. '•

• •• :'. ' '.'- Р.-КШМ:) ' :. .-.''•

'. • •" ^ ЙС»1Ч • Аадксчидр Ллякссенм. »А«Ы1 Ю»I)I УЧЛИ ЗДШЫМСШ.:

-шспру мента- нанясённем мнаглслышых' ■ дакрыш1.яу, унутрлным штгадшлм чг.кж.м, ,. '•'; -г.:/-'■"

■ К.тючавыя сланы: ■'мнпщслоДныя : Накрын'и». нИрм.гы. : ка[Лды 1йт;н|а, ;■ пмркошя, р.чжушчая здольнагнь. ¡нсгрумгнта, ун^трат, »н-ипн слой., градыснг .асглтшх «¡шруж.нтяу: ■ ■■'..' . , • : • ' ■■'■■■. '• ■

Даеледукишар-»К\>ч1до»у.т.111йвас1й ■■■диапазоне р^жымау рхлання; а таксама ¡х у.Ы;магуйц.1Ь (кнлькасЦь-. '■

слаеу 1;арб1д:1 } нпрьсил шТагм, таушчыни, узаЪяин? > :нанруй«!1Инь1м

гастаяппем: Мата |!ращ>1» Нан^йяннг Хшщшсрй «^Л'ййт!; .• • '.

" 'Экс11ерммёН'Га.1Ы1а-таи|^1ич11м$«'. '.гм-,и'дана11||1: . ад»л'м)аей1:' ••'

. меитау .1 иакрыццям'!-¡и.чклтранол), мщалгоднами»;..^ыкар^станпя унутргитяга .' /кфЧрнага стя н1т}шда. лытана у Пакр^пимх.' ЧЭдкг^'ийы., ило;

."•'../.•.' '.'... v. -'16 '.-. '..■

релпыня зноса цвердасплауных пласшн Карамрует з всл1чыней 'градыента астатко-/ вых'напружанняу. .3 выкарыстаннем : сучасных . метадау дасяедвання вывучаны асабл'тйси) знашвання цвердасплауных пласцш з мнагаслойным! пакрыццямГ. - — - -

. Прадложан ф»31чм;ы крьпэрый дзел* сптрэння зиосастойшх. мнагаслойных лакрыцшу i на яго падсхаве распраиаваны новыя мнагаслошшя пакрыцця дэеля , {нс^ъ^от^здбясдеч^ ¿по рфкучай здольнасцЬ

. Результаты праиы/. укаранены ' на БарысаускЬт заводзе -аутатрактарнага - электраа^еталявання1;ааводзе "Вымяральшк''- (г,. Наваполацк). Яны прымянЫы * дзеля прадпрыемствау выраблялыпкпу i спажыуцоу рэжучага ¡нстру менту.. "■.'_.

■■•;', ' SUMMARY

■ \ ... Mwevich- Alexander Alexeyevich. IMPROVEMENT OF -CUTTING TOOLS PERFORMANCE USING.MULTILAYER COATINGS WITH THE INNER NITRIDE

-LAYER;." '- -' ,''.•--,';■"•.•'.' '' ' V

Key words: тн1Шауег coatings,'nitrides, carbides.of titaniuhi, zirconium, cutting tool performance, inner,'outer layer, gradient of residua! stresses;

Investigated is the cutting performance of tools with multilayer coatings in a fange of cutting conditions, and its interrelation with the structure (number of TiN and TiC.layers', thickness and layout) and stress state. The.aim of the study is improvement

■ of cutting performance of coated tools..

' Experimental, anci theoreti<al study of coated cutting tools demonstrated the expediency of application the'inner barrier TiN layer in multilayer coatings. The value of wear of cemented carbide inserts with multilayer coatings is shown "to correlate to ; the magnitude of the gradient of residual stresses'. Using modern "analyses techniques the peculiarities of coated cemented; carbide inserts are investigated. .

Suggested is the physical «riterion for design of tribological multilayer coalings, and using this criterion new multilayer:coatings for cutting tools providing the better ,. performance are created! ;

• , ."The results have, been applied to. the plant of auto-tractor electric equipment (Bonsoy) and the plant "Izmeritel"; (Novopolotsk). They are applicable in companies manufacures and consumers of cutting tools. . _ . , '.;■-'•