автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение режущих свойств твердосплавного инструмента путём рационального выбора состава, структуры и свойств наноразмерных износостойких комплексов

004685020 На правах рукописи

ВЕРЕЩАКА Алексей Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА ПУТЁМ РАЦИОНАЛЬНОГО ВЫБОРА СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НАНОРАЗМЕРНЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ

КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010

004605020

Работа выполнена в

Московском Государственном Технологическом Университете «СТАНКИН»

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Российской федерации ГРЕЧИШНИКОВ Владимир Андреевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Таратынов Олег Васильевич Кандидат технических наук, доцент Аникеев Александр Иванович

Ведущая организация: Филиал Научно-исследовательского института авиационного двигателестроения НИИД ФГУП ММП «САЛЮТ» г. Москва

Защита состоится 25 мая 2010 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.203.16 при Российском университете дружбы народов по адресу: 113090, г. Москва, Подольское шоссе, д 8/5, ауд. 109

С диссертацией можно ознакомится в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов (117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.6)

Автореферат разослан «22» апреля 2010 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

Соловьев Виктор Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из наиболее серьезных проблем технологического развития современного машиностроения является необходимость обеспечения постоянного соответствия между свойствами новых конструкционных материалов, подлежащих механической обработке, и все более ужесточающимися условиями эксплуатации изделий из таких материалов. Чаще всего наиболее слабым звеном системы «материал - рабочая среда», определяющей допустимые условия эксплуатации и ресурс системы в целом, является поверхность материала, что предопределяет высокую значимость разработки новых методов и технологий модификации поверхностных свойств. Применительно к системе лезвийной обработки резанием подобная система определяется взаимодействием инструментального и обрабатываемого материалов в условиях, создаваемых процессом резания.

Наиболее эффективным методом повышения различных свойств инструментального материала является направленная модификация поверхности путем осаждения функциональных покрытий. Конечной целью модификации свойств поверхности инструментального материала является повышение режущих свойств инструментов, обеспечение их эксплуатационной надежности, особенно с учетом того, что режущий инструмент является слабым звеном технологической системы резания. Поэтому разработка и практическое применение высокопроизводительных и экологически чистых процессов осаждения функциональных покрытий с целью направленной модификации свойств рабочих поверхностей режущего инструмента, альтернативных традиционным термическим и механическим методам модификации, является актуальной научно-практической задачей. Решение указанной задачи является значимым резервом повышения эффективности технологической системы резания любых обрабатываемых материалов, так как при использовании высококачественного инструмента с покрытием повышается работоспособность и надежность наиболее слабого звена такой системы. В этой связи установление закономерностей формирования составов, структуры и свойств функциональных композиционных покрытий в зависимости от параметров процесса их получения и эксплуатации в широком диапазоне изменения условий обработки является весьма актуальным, так как позволяет определить физическую природу взаимосвязи состава, структуры и строения модифицированного слоя инструмента с закономерностями изнашивания и режущими свойствами инструмента.

Научные и практические результаты работы реализованы, в частности, при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ по государственному контракту № 02.513.11.3353 от 01.08.2007 в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2007-2012 годы, а также по заданию Минобрнауки, проект р/н 2.1.2/4385 в соответствии с ведомственной программой «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009-2010 гт.»

Цель работы: Повышение режущих свойств инструмента путем рационального выбора состава, структуры и свойств многослойно-композиционных наноструктурированных износостойких комплексов.

Задачи работы:

1. Разработка методологии создания многослойно-композиционных наноструктурированных износостойких комплексов для осаждения на рабочие поверхности режущего инструмента из твердых сплавов различного применения.

2. Обоснование выбора и разработка процессов и технологии фильтруемого вакуумно-дугового осаждения износостойких комплексов с наноразмерной структурой.

3. Исследование влияния технологических параметров процессов фильтруемого вакуумно-дугового осаждения на состав, структуру и основные свойства формируемых многослойно-композиционных комплексов.

4. Разработка составов наноразмерных композиционно-многослойных наноструктурированных комплексов для базовых операций резания.

5. Исследование режущих свойств инструмента с разработанными износостойкими комплексами и обоснование области их рационального применения.

6. Проведение аттестационных испытания инструмента с разработанными износостойкими комплексами в лабораторных и производственных условиях.

Методы исследования. Работа выполнена на основе использования фундаментальных положений теории резания материалов и физики твердого тела, методов статистического анализа результатов экспериментальных исследований, математического и компьютерного моделирования при теплофизическом анализе процессов с использованием пакета программ «БЕРСЖМЗО», «А^УБ» и др. Изучение механизмов влияния параметров процессов осаждения износостойких комплексов на различные свойства системы «износостойкий комплекс - твердый сплав» и вторичные структуры, возникающие при изнашивании в процессе резания или триботестах, выполняли на основе современных методов металлографического и металлофизического анализов с использованием методик вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС), энерго-дисперсионной спекрометрии (ЭДС), электронно-сканирующей микроскопии.

Научная новизна заключается в:

- обосновании рационального выбора архитектуры и функций элементов многослойно-композиционных комплексов для твердосплавного инструмента широкой области технологического применения;

- функциональных связях параметров процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения многослойно-композиционных наноструктурированных износостойких комплексов с режущими свойствами твердосплавного инструмента для базовых операций обработки;

- методике выбора состава, структуры и свойств износостойких комплексов, наносимых на твердосплавные инструменты, при резании различных материалов, исходя из функциональности каждого из их слоев;

- математических моделях процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения нанодисперсных износостойких комплексов на твердосплавные инструменты, устанавливающих функциональные связи между основными параметрами процесса и износостойкостью инструмента.

Практическая ценность. На основе выполненных исследований разработаны:

- установки ВИТ-2 и ВИТ-3, реализующие процессы фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО) и ассистируемого фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (АФВДО) для нанесения покрытий на твердосплавные, быстрорежущие и керамические инструменты;

- технологии на основе процессов ФВДО и АФВДО осаждения наноструктурированных износостойких комплексов на сменные многогранные пластины (СМП) из различных марок твердых сплавов, цельнотвердосплавные инструменты (сверла, концевые фрезы и др.) широкой области технологического применения, режущий инструмент из слоистой высокопрочной керамики, инструмент из быстрорежущей стали;

- рекомендации по применению СМП из различных марок твердых сплавов с разработанными износостойкими комплексами для операций резьбонарезания, сухой обработки с применением ионизированных газовых сред, различных технологических операций обработки материалов, применяемых в авиационном двигателестроении, тяжелой обработки железнодорожных колёсных пар и рельсов.

Публикации. Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 10 статьях, две из которых - в изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК и представлены в патенте на изобретение РФ.

Реализация работы: Методика нанесения разработанных износостойких комплексов на твердосплавные резьбовые пластины была использована на ЗАО «Резьбовые технологии».

Апробация работы: Материалы настоящей работы представлялись на всероссийских и международных научно-технических конференциях и выставках, среди которых наиболее важными являются: Международный научно-технический семинар Интерпартнёр-01 «Высокие технологии: тенденции развития», (Харьков -НТУ «ХПИ»-Алушта, 2001); Международная научно-практическая конференция «Протек-2001» Производство, технология, экология, (Москва, МГТУ «СТАНКИН», 2001); Международный научно-технический семинар Интерпартнёр-02 «Высокие технологии: тенденции развития», (Харьков - НТУ «ХПИ»-Алушта, 2002); Международная научно-практическая конференция «Протек-2005» Производство, технология, экология, (Москва, МГТУ «СТАНКИН», 2005); Международная научно-практическая конференция «Протек-2007» Производство, технология, экология, (Москва, МГТУ «СТАНКИН», 2007); Восьмая научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов» (Москва.: МГУПС «МИИТ», 2007; Международная научно-техническая конференция «Современные технологии в газотурбостроении» (Харьков - ИПМаш- Алушта, 2009); Международная научно-практическая конференция «Современные наноматериалы и технологии их обработки» (Рыбинск, Москва, 2009), Всероссийская научно-техническая конференция «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» (Рыбинск, 2009).

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы, 106 источника и приложения, содержит 253 страницы печатного текста, 33 таблицы, 112 рисунков и фотографий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, обозначена цель исследований, указаны методические и теоретические положения работы, изложена научная новизна и практическая ценность

В первой главе содержится аналитический обзор основных направлений развития и совершенствования инструмента с покрытием в условиях современных металлообрабатывающих производствах.

Приведен краткий анализ и дано сравнение показателей методов нанесения покрытий на режущие инструменты, показаны основные особенности и тенденции развития химико-термических (CVD) и физических (PVD) процессов, изложены тенденции совершенствования вакуумно-дуговых процессов (КИБ-MeWA) осаждения покрытий на режущие инструменты.

Произведен всесторонний анализ и определены тенденции создания архитектуры, составов, структуры и свойств износостойких покрытий последнего поколения для режущих инструментов, рассмотрены преимущества и особенности

наноструктурированных покрытий.

Большое внимание уделено исследованиям по проблемам повышения режущих свойств инструментов. Значительный вклад в исследования различных аспектов проблемы резания с использованием режущего инструмента с покрытием и создание теории его проектирования внесли Верещака A.C., Табакова В.П., Григорьева С.Н., Кабалдина Ю.Г., Внукова Ю.Н., Кузина В.В., Мигранова М.Ш., Аникеев А.И., Аникин В.Н. и др., а также ряд зарубежных исследователей, в работах которых вскрыты механизмы и природа изнашивания инструментов с покрытиями для различных условий обработки.

Несмотря на многочисленность исследований различных аспектов проблемы разработки и применения инструментов с покрытием, показана недостаточность изученности взаимосвязей изнашивания инструмента с составом, структурой и свойствами наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий, именуемых «износостойкие комплексы» (ПК), в зависимости от параметров процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО), существенно повышающего качество ИК и режущие свойства инструмента.

Таким образом, целью настоящей работы является повышение режущих свойств инструмента путем рационального выбора состава, структуры и свойств многослойно-композиционных наноструктурированных износостойких комплексов многоцелевого назначения.

Во второй главе приводятся результаты разработки методологии и рабочих гипотез исследований, изложена общая методика проведения исследований.

Предложено рассматривать покрытие как некоторую промежуточную технологическую среду (ПТС) между инструментальным и обрабатываемым материалами, что позволило сформулировать концептуальную роль покрытия для лезвийного режущего инструмента, которая заключается в следующем. С одной стороны, покрытие должно повысить физико-механические и физико-химические свойства инструментального материала (твердость, теплостойкость, износостойкость, физико-химическую пассивность по отношению к обрабатываемому материалу и др.), служить барьером тепловым потокам от фрикционных источников тепла в инструмент и интердиффузионным процессам между инструментальным и обрабатываемым материалами и, кроме того, тормозить или полностью блокировать зарождение и развитие «разрушающих» трещин у поверхностных дефектов инструментального материала (субстрата). С другой стороны, покрытие должно положительно трансформировать контактные процессы (трение, в том числе сопровождаемое адгезией и т.д.) и снизить мощность фрикционных источников тепла, и, таким образом, уменьшить уровень термомеханического воздействия на контактные площадки, приводящего к изнашиванию инструмента.

На основе роли покрытия как ПТС была сформулирована концепция многослойно-композиционного покрытия и систематизированы требования к покрытиям для режущих инструментов (рис.1).

Покрытие многослойно-композиционной архитектуры формируют в соответствии с принципами функциональности каждого из слоев, включая верхний и нижний слои, контактирующие с обрабатываемым и инструментальным материалами, а также промежуточный слой, обеспечивающий прочную адгезию между ними. Такая архитектура многослойно-композиционного покрытия получила наименование «износостойкий комплекс» (ИК). Износостойкий (1) и промежуточный (2) слои ИК в зависимости от условий обработки могут иметь как монослойную, так и многослойную архитектуру, при этом размеры зерен и толщина субслоёв могут иметь как микроразмерную, так и наноразмерную величину.

Выбор химического состава наружного слоя ИК производили исходя из принятого допущение о том, что адгезионно-усталостное изнашивание является основным механизмом отказа твердосплавного инструмента, в соответствии с которым минимальное изнашивание инструмента достигается при минимуме теряемой массы инструментального материала Ма—*тм С учетом того, что основными факторами, влияющими на интенсивность адгезии в системе «обрабатываемый материал - инструмент» и, соответственно, на Ма, являются термическая ^т) и механическая (Ад/) составляющие адгезии, а также с учетом сложности в оценке их численных значений, приняты допущения при качественной оценки 1УТ и Термическую составляющую адгезии Л'т

оценивали по температуре плавления материала слоя (1) ИК. Л/т = С-1гв/впд, где С -постоянная, & - абсолютная температура; в^,- температура плавления соединения.

Ж-1

ИЗНОСОСТОЙКИЙ СЛОЙ 1 / Минимальное физико-химическое взаимодействие с ' обрабатываемым материалом

Метод достижения Эффекты

- Высокая термодинамическая стабильность - Высокая твердость - Отличие кристалл о-химического строения материалов покрытия и контактирующего материала - Химическое взаимодействие - Механическое взаимодействие - Трибологическое взаимодействие

ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ СЛОИ 2 Высокая твердость, теплостойкость и вязкость

Метод достижения Эффекты

- Ограничения образования и распространения трещин созданием внутренних граничных поверхностей ■ Комбинация слоев с различными функциями в многослойной архитектуре покрытия Поглощение энергии, разветвление трещин, снижение напряжений, создание полей напряжений сжатия при удлинении внутренних граничных поверхностей

^ АДГЕЗИОННЫ И ПОДСЛОИ 3 * Высокая прочность адгезии системы «ИК-субстрат»

Метод достижения Эффекты

- Кристаллохимическое подобие структур материалов покрытия и субстрата - Многочисленные сильные и направленные связи (эпитаксия) - Снижения уровня тепловых напряжений - Перемешивание компонентов на фаницах раздела слоев Снижение градиента напряжений на фаницах раздела «покрытие-субстрат»

Рис. У. Систематизация основных требований к слоям ИК, исходя из концептуальной роли покрытия как ПТС между инструментальными и обраба -тываемым материалами: 1 - износостойкий слой; 2 -промежуточный (барьерный) слой; 3 - адгезионный подслой; 4- субстрат (инструментальный материал); ИК - износостойкий комплекс.

Механическую составляющую интенсивности адгезии Ым оценивали по твердости вещества (соединения), так как по мере роста твердости резко снижается подвижность дислокаций и соответственно уменьшается склонность верхнего слоя (1) ИК к адгезии с обрабатываемым материалом. Согласно конфигурационной модели вещества (КМВ) наибольшей твердостью обладают соединения с превалирующим статистическим весом атомов стабильных конфигураций (СВАСК) яр3, ковалентные (или металлические) связи которых обуславливают повышенную жесткость кристаллической решетки и её низкую податливость, что затрудняет движение дислокаций и вакансий, снижает склонность к адгезии с обрабатываемым материалом.

Для качественной оценки составов износостойкого (1), промежуточного (2) и адгезионного (3) слоев ИК разработана систематизация тугоплавких соединений, принципиально пригодных для использования в качестве элементов ИК, по их кристаллохимическим и физико-механическим свойствам. При выборе материала износостойкого слоя ИК предпочтение отдавали твердым тугоплавким соединениям, содержащим максимальное количества СВАСКов устойчивых конфигураций типа хр1 (материалы с преимущественно металлическими или ковалентными связями), в2р6 (материалы с металлическими или смешанными типами связи) и с!5 (материалы с ковалентными и ионными связями). При выборе материала адгезионного подслоя (3) предпочтение отдавали металлам или соединениям с металлической связью, для формирования промежуточных слоев (2) - соединениям с ионными связями.

Таким образом, на основе принятой концепции ИК, как промежуточной технологической среды с двойственной физической природой, разработанных требований к слоям ИК и методики выбора их свойств, сформулированы следующие рабочие гипотезы исследований:

1. При превалирующем адгезионно-усталостном изнашивания твердосплавного инструмента ИК, наносимые на его рабочие поверхности, должны обеспечивать минимизацию процессов, приводящих к такому изнашиванию: • необходимо использовать многослойно-композиционную архитектуру каждого слоя ИК, имеющего строго индивидуальные функции, удовлетворяющие соответствующему служебному назначению инструмента; • в качестве материала слоев (1) и (2) ИК необходимо использовать

материалы с нанометрической структурой, имеющих увеличенную площадь межзеренных и межслойных границ, более сбалансированное отношение «вязкость/твердость», что существенно повышает устойчивость инструментального материала к зарождению и развитию «хрупких» трещин и способность сопротивляться разрушению в условиях воздействия циклических термомеханических напряжений.

2. Износостойкий слой (1) ИК должен максимально повышать температурный порог начала адгезии между инструментальным и обрабатываемым материалами и обеспечивать низкую склонность к формированию застойной зоны на контактной площадке передней поверхности инструмента для снижения величины амплитуды и частоты знакопеременных напряжений, возникающих при разрушении зоны.

3. Для повышения эффективности твердосплавного инструмента с ИК необходимо обеспечение максимально высокой адгезионной прочности в системе «ШГ-субстрат».

Изложены методики проведения экспериментальных исследований, включающие оборудование, технологию подготовки инструмента перед нанесением покрытия и технологии формирования ИК, контроль таких параметров архитектуры ИК, как толщина, прочность адгезии, морфология поверхности, микротвердость, вязкость разрушения, химический состав. Подробно рассмотрена также методика исследования режущих свойств твердосплавных инструментов с ИК, методы статистической обработки экспериментальных данных.

В главе 3 изложена процедура разработки и формирования ИК на сменных многогранных пластинах (СМП) из твердых сплавов. Разработку ИК для СМП из твердых сплавов проводили при использовании следующей схемы:

- проведение анализа условий обработки, позволяющих, с учетом требований к слоям ИК и методических разработок по выбору различных параметров ИК, принимать решения по выбору архитектуры, составу, свойствам функциональных слоев ИК\

- выбор условий получения ИК с назначением параметров процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО), оказывающих наиболее значимое влияние на физико-механические свойства ИК;

- исследование влияния наиболее значимых параметров процесса ФВДО на основные характеристики ИК и принятие заключительных решений по числовым значениям параметров синтеза ИК,

- разработка математических моделей процесса ФВДО и проведение процедуры оптимизации параметров его синтеза применительно к формированию ИК на СМП из твердых сплавов для заданных условий обработки;

- получение опытных партий твердосплавных СМП с разработанными ИК для проведения масштабных исследований параметров резания и режущих свойств.

Формирование ИК производили при использовании разработанной концепции многослойно-композиционной архитектуры, в соответствии с которой синтезированные ИК на твердосплавном субстрате обеспечивали реализацию следующих установленных требований:

- имели надлежащие по уровню остаточные напряжений сжатия;

- осуществляли торможение тепловых потоков в инструмент от фрикционных источников тепла, возникающих при резании;

устанавливали барьер интердиффузии между инструментальным и обрабатываемым материалами;

- имели повышенную прочность адгезионной связи в системе «покрытие -субстрат»;

- обеспечивали надлежащую сбалансированность свойств по твердости и вязкости композиции «покрытие - субстрат»;

- снижали физико-химическую активность инструментального материала по отношению к обрабатываемому.

На основе предложенных концепции покрытия для режущего инструмента, требований к слоям ИК и систематизации соединений, наиболее предпочтительных для указанных целей, разработаны рекомендации по их составам (таблица 1), а также обосновано положение о формировании нанодисперсной структуры износостойкого (1) и промежуточного (2) слоев ИК.

Таблица 1. Рекомендации по составам слоев ИК

Предпочтительные составы слоев износостойкого комплекса

Износостойкий слой «1» Адгезионный подслой «3» Промежуточный слой «2»

CrN>CrOCrB>VN>ZrN> ZrOZrB>TiN>TiOTiB2> ZrB>HfB2; Карбиды,нитриды,карбо-нитриды,бориды: (Ti,Zr) > (Ti,Cr) >(Ti,Al)>(Zr,Nb) > (Zr,Cr)>(Zr,Al) > (Ti,Nb,Cr) >(Ti,Cr,AI) > (Ti,Zr,Al) Металлические подслои: гг>Сг>У>Т1; Металлические композиты: СП,гг) > (гг,Сг) >("П,Сг) > (Т1,У) Соединения: ггы > (И,Сг)ы > ™ > ("П,У)Ы Р-О MoS2> (Mo,Ti)Sx> Mex(J03)y> A1N>A1203 (Ti,Al)N> AIN>CrN>TiN>ZrN

Основные требования

1. AGt°>0 для пары «слой 1-ОМ» 2. Ма -> min 3. Максимальные значения параметров: HV, оь. К1С 1. ДСт°<0 для пары «слойЗ-субстрат (ИМ)». 2. ДСт°<0 для пары «слоя 3-слой 2», 3. Необходимость соблюдения правила «Юм-Розери» для пар: «слой 3-субстрат (ИМ)», «слой 3 -слой 2» 1. ДСт°>0 для пар «слой 2-ОМ» 2. ДСт°<0 для пар «слой 2- слой 1»; «слой 2 -слой 3» 3. Необходимость соблюдения правила «Юм-Розери» для пар: «слой 2- слой 1»; «слой 2 - слой 3»

* Примечание. ДОт° - изобарный потенциал реакции при температуре эксплуатации режущего инструмента; Правило ((Юм-Розери» - взаимная растворимость элементов возможна, если размер их атомных диаметрах не превышает 15%;

CrN > СгС >СгВ >.....- предпочтительный ряд соединений для различных слоев ик (по мере возрастания); ИМ, ОМ -

инструментальный н обрабатываемый материалы соответственно.

Анализ условий получения ИК при использовании процессов ФВДО во взаимосвязи с их параметрами и свойствами позволил установить, что содержание газа в соединении (нитриде) и соотношение «азот-металл» в формируемых слоях ИК определяется давлением реакционного газа (азота) рс , энергией ионов W„ которая является функцией напряжения смещения на субстрате Uc и тока дуги 1а при испарении металла катода. В связи с этим параметры процесса синтеза адгезионного (3), промежуточного (2) и износостойкого (1) слоев ИК оказывают сильное влияние на их структуру, фазовый состав, параметр кристаллической решетки и ее микро- и макроискажения, структурные и геометрические дефекты, эксплуатационные свойства ИК в целом. Структурная схема связей основных параметров процесса ФВДО с характеристиками ИК показана на рис.2.

Приведены результаты исследований состава, структуры и параметров ИК в зависимости от параметров процесса ФВДО на примере системы Ti-TiN-(Ti^4l)N. Исследования выполнены с использованием методик вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС), энерго-дисперсионной спектрометрии (EDS), микрорентгеноспектрального анализа, электронно-сканирующей микроскопии на полевом эмиссионном электронно - сканирующем микроскопе JSM-6700F с приставкой для энерго-дисперсионной спектрометрии JED-2300F фирмы JEOL и ионном

сканирующем микроскопе Strata FIB 201, которые позволяли осуществлять качественный и количественный анализы состава твердотельных структур.

В качестве варьируемых параметров синтеза слоев ИК были выбраны: давление азота - pti, напряжение смещения на субстрате (инструменте) - Uc', величина тока титанового катода - /г/.

Математическое планирование эксперимента для определенного числа опытных точек и оптимального расположения их в отведенной для исследований области факторного пространства включало использование указанных параметров рц, Uc, hi вакуумно - дугового процесса ФВДО для слоев ИК (на примере композиции

и»

Uc

Puc.2. Структурная схема связей основных параметров вакуумно-дугового процесса ФВДО с составом и структурой ИК:

U/s - напряжение смещения на субстрате (инструменте) в процессе термической активации и очистки; Uc - напряжение смещения на инструменте в процессе конденсации покрытия; 1Л - ток дуги; Is-ток на субстрате; Fla - параметры потока; реакционного газа (скорость, плотность, гомогенность, степень ионизации); Р^-давление реакционного газа.

Т1-Т1Ы-(Т1^41)Ы), каждый из которых варьировали на трех уровнях. Диапазон варьирования параметров 11а 1п выбирали таким образом, чтобы

идентифицированная модель была справедлива для всей области управления, а значения варьируемых факторов внутри выбранной области были практически реализуемы. Были выбраны следующие диапазоны варьируемых факторов: рдг=5-10"2 - 3-10"' Па, 11с = 75 -200 В, 1п = 40 - 130 А.Значения уровней варьируемых параметров представлены в таблице 2.

Таблица 2. Уровни варьирования параметров процесса синтеза ИК

Факторы Уровни варьируемых факторов

Нижний Средний Верхний

/п,А 40 80 130

Pn, Па 5-10^ МО"1 3-Ю"'

Uc, В 90 110 230

Пример рентгеноспектрограммы, полученной с поверхности ИК, и результаты расшифровки содержания Г/ и А1 (% ат) в зависимости от /г, показаны на рис.3, и в таблице 3.

Представленные результаты свидетельствуют о значительном влиянии параметров процесса ФВДО на соотношение элементов Ti/Al в ИК. В составе адгезионного подслоя (3) ИК обнаружено некоторое количество вольфрама и кобальта, диффундирующих из твердого сплава, что свидетельствуют о формировании ограниченной переходной зоны толщиной порядка 0,2-0,3 мкм при температурах синтеза ИК (650-700 °С) и предопределяет повышение прочности адгезии системы «субстрат - ИК».

Ergebnisaa dar quantltatlvan Analysa - Standardloaa

EOS Faiameter - lbkV, AbnaMnawinkal: 35.0*, Flt inda Aorraktur: ЕАГ, Itarationen: 3

Elanent Aton-I Formal Massa-I Fchlailll

Al 42.33 Al 29.29 " 0.32

Ac 0.61 Ar 0.62 0.17

TI 51.06 TI 70.09 1.33

<Gasamt> 100.00 100.00

Рис.3. Пример оценки химического состава поверхностного слоя ИК (система 7'|-7<Лг-ТШ) по рентгенограмме образца.

Таблица 3. Влияние 1т на состав износостойкого слоя (Т1^А1)М ИК

№ образца /п. А Атомная концентрация (% ат) Соотношение Ti/Al

Ti Al

43 45 44,32 52,34 0,85

23 50 51,46 46,98 1,10

63 55 53,12 45,32 1,17

13 65 57,06 42,33 1,35

33 80 65,57 33,19 1,98

53 100 67,89 30,93 2.19

73 130 76,91 21,96 3.47

Результаты металлофизических исследований позволили установить влияние параметров процесса ФВДО (установка ВИТ-2) на соотношение Ti/Al в износостойком слое (1) ИК. В частности, для СМП из сплава Т14К8 с ИК, полученном при варьировании параметров процесса ФВДО, отмечено сильное изменение атомной концентрации элементов Ti и Al в износостойком слое (1) ИК. Особенно сильное влияние на соотношение Ti/Al оказывает ток дуги при испарении титана. В частности, увеличение параметра IT¡ от 45 до 130 А приводит к увеличению атомной концентрации Ti в слое (1) (Ti*il)N ИК от 44,32% до 76,91% при одновременном снижении атомной концентрации алюминия от 52,34% до 21,96% при увеличении соотношения Ti/Al от 0,85 до 3.47. Полученный результат позволяет прогнозировать изменение различных свойств системы «//ЛГ-субстрат» в целом и возможность использования установленного эффекта для направленного изменения состава, структуры и свойств ИК.

Результаты оценки параметров слоёв ИК приведены в таблице 4. Результаты исследований структуры поперечного сечения износостойкого слоя 1 (Ti:.xAlJN ИК и морфологии поверхности, полученные при использовании разработанного процесса ФВДО, представлены на СЭМ-микрофотографиях (рис.4, а, б, е).

Рис.4. Структура ИК (а, хЮОООО) и морфология его поверхности, полученная при использовании стандартного КИБ-MeWA (б, Ti0.25Al0.22N0.53, хЗООО) и фильтруемого вакуумно-дуговых процессов осаждения ФВДО (в, Tio11Alo.22Na.56, хЗООО) .

Анализ представленных данных позволяет отметить, что морфология поверхности износостойкого слоя (1) (Tii.xAlx)N ИК, полученная при использовании процесса ФВДО (см. рис.4, в), имеет значительно более высокое качество (практически полное отсутствие макро- и микрокапель a-Tí) по сравнению с качеством поверхности аналогичного слоя, полученного при использовании стандартного процесса КИЕ-MeWa (см. рис.4, б). Износостойкий слой (1) ИК при общей толщине 2 мкм имеет нанодисперсную структуру с толщиной субслоев порядка 15-25 нм (среднее значение соотношения Ti/Al 2,6), а промежуточный 77УУ-слой (2) при толщине порядка 1,8 мкм имеет толщину

Таблица 4. Параметры элементов архитектуры ИК.

Элементы архитектуры ИК на основе Ti-TiN-(Ti,Al)N Состав, % и толщина Микротвердость, МПа* Прочность адгезии ИК**, Ркрит, И

Адгезионный подслой Ti (3) (монослойный) h„= 0, 3 мкм - 120

Износостойкий слой (Ti^4l)N(\) (многослойный) 50%Ti-50%Al; hu = 2,0 мкм he - 25 нм 3200

Промежуточный слой TiN (2) (многослойный) h„= 1,8 мкм ftc=15 нм -

Л„ — толщина адгезионного подслоя; Л„,Л„ - толщина износостойкого и промежуточного слоев; йс - толщина субслоев износостойкого (1) и промежуточного (2) слоев;*- значение микротвердости получено на наноиндентометре с поверхности образца; ** - Рурит- критическое значению усилия, прилагаемого к скрайбирующему (царапывающему) индентору, при котором происходит нарушение сплошности слоя (1) вдоль царапины.

субслоев около 25 нм. Результаты исследований параметров износостойкого комплекса Т1-,ПМ-(Т1^,Щ позволяют классифицировать его как наноструктурированный.

Установлено, что наиболее сильное влияние на морфологию формируемой при осаждении поверхности ИК оказывает ток титанового катода 1г, и напряжение смещения ис, причем при использовании стандартного процесса КИБ-МеУУа с увеличением /п и Не резко увеличивается количество микрокапель (титана) и других дефектов.

С увеличением количества макро - и микрокапель на рабочих поверхностях инструмента с ИК резко ухудшаются трибологические свойства поверхности, так как микрокапли являются её наиболее опасным дефектом, приводящим к резкому росту адгезионной активности контактных площадок инструмента и увеличению интенсивности адгезионно-усталостного изнашивания. В меньшей степени на морфологические параметры поверхности оказывает влияние давление азота ру. В соответствии и рабочими гипотезами и полученными результатами в дальнейших исследованиях использовали модернизированный вакуумно-дуговой процесс с фильтрацией паро-ионного потока, получивший наименование фильтруемого вакуумно-дугового осаждения ФВДО.

Представлены результаты исследований влияния параметров процесса ФВДО 1п > ис >Рк на важнейшие параметры ИК - толщину, микротвердость, трещиностройкость, адгезию по отношению к твердосплавному субстрату. В качестве примера на рис. 5 и 6 показано влияние 1/с и /п и микротвердость и трещиностогйкость ИК.

Полученные результаты позволяют отметить следующее.

Характер изменения функций кп - Яры. /п. ^с), ¡IV = Дры, 1П 11с) для исследуемых процессов КИБ-МеУУА и ФВДО аналогичен, однако микротвердость ИК, формируемых при использовании процесса ФВДО, превышает на 10-15% микротвердость ИК, формируемых при аналогичных значениях параметров стандартного процесса КИБ-МеУУА. Исследованиями влияния параметров процессов осаждения ИК на их трещиностойкость (А/с) установлено (рис.5, рис.6), что ИК, формируемые при использовании процесса ФВДО, обладают большей трещиностойкостью.

Рис.5. Влияние напряжения смещения (1с на твердость и трещиностойкость (К,с) ИК на основе системы "П-ТШ-ПАШ, осаждаемого на СМП из сплава Т14К8 при /п=65 А; /),у=0,5 Па: 1 - твердость ИК, процесс КИБ-МеУУА; 2 -твердость ИК, процесс ФВДО; 3 трещиностойкость (К,с) ИК, процесс КИБ-МеУУА; 4 - трещиностойкость (К/С) ИК,

Рис.6. Влияние тока дуги /п на твердость и трещиностойкость (А/с) ИК на основе системы П-7Ш-Т!ЛШ, осаждаемой на СМП из сплава Т14К8 при />л=0,5 Па; 1/с = 2ЮВ: 1 - твердость ИК, процесс КИБ-МеУУА-, 2 -твердость ИК, процесс ФВДО; 3 трещиностойкость (К,с) ИК, процесс КИБ-МеУУА; трещиностойкость (К¡с) ИК, процесс ФВДО.

ппопесс ФВ/Ю.

Полученный результат повышения трещиностойкости ИК, осаждаемых при использовании процессов ФВДО, объясняется формированием нанометрической зерновой структуры слоев ИК с размерами зерен порядка 20-60 нм, в то время как ИК, формируемые при использовании стандартных процессов КИБ-МеУУА, имеют микрометрическую зерновую структуру с размерами зерен порядка 120-300 нм.

Изменение микротвердости ИК при варьировании технологических параметров процессов КИБ-MeWA и ФВДО связано со значительным изменением соотношения основных элементов в составе сложнокомпозиционного наружного слоя (1) ИК, непосредственно контактирующего с обрабатываемым материалом при резании и, в значительной степени, определяющего механизмы изнашивания твердосплавного инструмента. В частности, установлено значительное изменение соотношения Al/Ti в слое (1) ИК, что, в свою очередь, предопределяет изменение режущих свойств системы «ИК -субстрат» в целом.

Параметры процесса ФВДО ры 1ть Uc оказывают сильное влияние на один из важнейших параметров инструмента с ИК - прочность адгезии между ИК и инструментальным материалом (субстратом). При увеличении параметров In, Uc и рм критическая нагрузка Р*р, характеризующая прочность адгезии в системе «Я/Г-субстрат», имеет выраженный экстремальный характер, причем во всех случаях для наноструктурированных ИК, формируемых при использовании процесса ФВДО, отмечается более высокая прочность адгезионной связи по сравнению с аналогичным параметром для ИК, осаждаемого при использовании стандартной технологии КИБ-MeWA. Наиболее сильное влияние на адгезию оказывает ток дуги /ц, причем при 1Т,—65-70 А сила Pgp разрушения ИК при царапании алмазным индентором достигает максимального значения порядка 750 г. и 920 г. для процессов осаждения КИБ-MeWA и ФВДО соответственно.

Заметно большая прочность адгезии ИК для процессов ФВДО по отношению к субстрату предположительно связана с зарождением большего количества центров конденсации слоев ИК и центров адгезии с субстратом, чем для процессов КИБ-MeWA, возникающих вследствие более высоких значений энергии и скорости ионов, конденсируемых на поверхность субстрата, что способствует интенсификации диффузионных процессов и формированию тонкой переходной зоны между адгезионным подслоем (3) ИК и субстратом.

Разработана математическая модель, устанавливающая связь между износостойкостью твердосплавного инструмента и параметрами процесса ФВДО. При построении модели использовали следующие предпосылки:

• варьирование параметрами синтеза слоев ИК при использовании процессов ФВДО (установка ВИТ-2) позволяет управлять их составом, структурой и свойствами и, таким образом, формировать ИК с необходимой структурой и уровнем свойств;

• при формировании слоев ИК сложно-композиционного состава, включающих три или более элементов (например, Ti, Al, N), свойства ИК можно направлено изменять путем варьирования параметров процесса ФВДО и соответственного изменения соотношения элементов в слоях ИК.

Управляющие факторы процесса осаждения ИК соответствовали области управления. Так как на процесс осаждения влияют не только управляющие факторы, но и помехи, имеющие в основном случайный характер, показатель которых формируется за пределами системы управления, то процесс осаждения слоев ИК рассматривали как стохастический, состояние которого оценивали случайными факторами: k i

), где R - случайный функциональный фактор

И j-i

процесса, Z - управляющий фактор, к - количество управляющих факторов.

При построении модели были выбраны следующие факторы: давление азота ря, напряжение смещения на субстрате (пластинах) Uc, величина тока титанового катода /п и время нанесения покрытия г, диапазон варьирования которых показан в табл. 2. В качестве критериев оценки оптимальности параметров процесс синтеза ИК выбрана стойкость инструмента Т при износе задней поверхности инструмента h3 = 0,4-0,5 мм. Описание стойкости при точении твердосплавным инструментом с ИК, полученном при

вариациях параметров процесса осаждения ФВДО, осуществляли функцией следующего вида:

Т = С • /А' • /Л • UA" ■ ЕХР(В, ./„+Вр -/»дг+Ви ис),

где: Т- стойкость твердосплавного инструмента, мм; 1ц - ток титанового катода, А; рц -давление азота в камере, Па; Uc - напряжение смещения, В; С, Bj - коэффициенты; Aj -показатель степени.

Составленный план экспериментов предусматривал варьирование каждого из выбранных факторов на трех уровнях, параметры модели были вычислены на ПК. Цель вычислений состояла о необходимости определения таких значений С, Aj, Ар, Аи, В/, Вр и Ви , при которых отклонение расчетной величины вычисленного значения регрессионной функции от экспериментального значения должно быть минимальным. Обработка экспериментальных данных проводилась с помощью разработанной в МГТУ «СТАНКИН» компьютерной программы (OMEN extrasoft) и программного пакета SPSS 11.5.1 фирмы SPSS.

Математическая модель, устанавливающая связи между параметрами In ,Pn, Uc и стойкостью инструмента применительно к продольному точению стали 45 НВ 200 с t=l,0 мм; S=0,3 мм/об и v=150 м/мин, имеет следующий вид:

Т = 2,48■ 1(Г8 • /1Д5 • ргА0 ■ U5-59 • ЕХР(-1,51-Ю"2-Z-6,70• р-3,23-10"2-U)

Разработанная модель позволяет выявить степень влияния каждого из параметров процесса ФВДО In ,рм Uc на стойкость инструмента. В частности, при использовании модели можно установить, что напряжение смещения на субстрате Uc сильнее всего влияет на стойкость инструмента (показатель степени 5,59). Давление газа в камере оказывает уже меньшее влияние на стойкость (показатель степени 3,40). Меньше всего воздействует на стойкость ток титанового катода (показатель степени 1,25). Отклонение рассчитанного с помощью модели значения стойкости от полученного в результате эксперимента составляет менее 10%, что является допустимым для технических приложений. Аналогичные модели процесса ФВДО были получены и для других составов ИК, на основе которых произведены процедуры оптимизации условий получения /ИГ для различных типов инструментов из твердых сплавов.

В главе 4 приведены результаты исследований параметров функционирования и трибологии процесса резания твердосплавным инструментом с разработанными износостойкими комплексами. Параметры процесса ФВДО нанесения ИК на основе композиций Ti-TiN-(Ti^il)N, Zr-ZrN-(Zr,Cr)N, Zr-(Zr,Cr)N-CrN на различные типы твердосплавного инструмента производили на вакуумно-дуговой установке ВИТ-2 (таблиц 5).

Таблица 5. Параметры процесса ФВДО (установка ВИТ-2).

Материал катода h\ A PN> Па To, мин Ik, A 1ф, A u* В ии, В т, "С

Сплав (50%Ti-50%А1) 200 -5 ■ 10"3 30 20 20 16 15 340-370

А1 - 0,4 30 20 160 20 320-345

Ti 90 0,6 30 - - - 20 340-350

Zr 110 0,65 30 - - - 15 320-340

Cr 70 0,65 30 - - - 30 380-390

* параметры процесса осаждения, приведены для этапа осаждения покрытия процесса ФВДО. 1ц -ток дуги при испарении катода; т, - время осаждения; 1К-ток в катушке системы фильтрации; 1Ф-

ток дуги фильтрующего устройства; 11ф - напряжение фильтрующего устройства; Т- температура поверхности субстрата в процессе конденсации покрытия.

Формирование ИК производили при использовании раздельных одноэлементных катодов или плавленых композиционных катодов с заданным содержанием элементов, входящих в их состав (например, 50%77-50%/1/). В случае использования одноэлементных катодов с относительно низкими атомным весом и температурой плавления (например, А1, ТУ, £>), для уменьшения капельной фазы их использовали только в испарителях, оснащенных фильтрующими устройствами.

Исследования режущих свойств сменных многогранных твердосплавных пластин (СМП) из различных марок твердых сплавов с ИК проводили при продольном точении и симметричном торцовом фрезеровании различных обрабатываемых материалов (стали-45, 40Х, 14ХГСН22МА, сплавы - ВТ-20, ХН73МБТЮ-ВД, ХМ77ТЮР, ВЖ-98).

Исследования при фрезеровании проводили однозубой торцовой фрезой по схеме симметричного фрезерования (для исключения влияния таких параметров, как биение зубьев, равномерность и т д.) при использовании торцовых фрез 2214-0417 ГОСТ 2659585 0125 мм и 0160 мм.

Триботехнические исследования проводили на адгезиометре конструкции Шустера - Мигранова, их методика подробно изложена в диссертационной работе.

Проведены исследования режущих свойств твердосплавных СМП с ИК, полученными при различных параметрах процессов КИБ-МеУУА и ФВДО при точении стали 45 НВ200 с 1=1,0 мм; 0,2 мм/об; у=250 м/мин: (рис. 7,8).

гЧг^ \

/ /

/ ч

™А ш ™ 1п.А

Рис.8. Зависимость стойкости инструмента Та,5 (при hз=0,5 мм), оснащенного СМП из Т14К8, от тока дуги 1п при синтезировании ИК на основе Ti-TiN-TiAlNс pN = 0,5 Па, Uc = 210 В :

1 - ИК осажденные при использовании процесса КИБ-MeWA, 2 - ИК осажденные при использовании процесса ФВДО.

Рис.7. Влияние напряжения смещения Uc на стойкость To,s (при Aj=0,5 мм) инструмента, оснащенного СМП из Т14К8 с ИК Ti-TiN-TiAlN, синтезированных при использовании процессов КИБ-MeWA (б-д) и ФВДО (е-и) с /ц = 65 A, pjv = 0,5 Па:

а - контрольная СМП из Т14К8 без покрытия; б,е - 230 В; в,ж - 140 В; г,з - 190 В; д,и - 210 В.

Результаты исследований позволяют отметить, что, как правило, максимальная твердость ИК не соответствовала максимальной стойкости инструмента, так как при этом снижалась трещиностойкость ИК (минимальное значение коэффициента Kic) и возрастает вероятность отказа инструмента вследствие хрупкого разрушения ИК. Очевидно, что наибольшее значение стойкости обеспечивается при «компромиссном» сочетании характеристик ИК по твердости (НУ) и вязкости разрушения (К¡с)-

Наиболее значимое влияние на стойкость инструмента оказывает ток дуги титанового катода In (рис.7), причем экстремум функции T0,s = f(lrj соответствует значению In = 65 А. При дальнейшем повышении /п (при IAi = const) в слое (Ti,Al)N увеличивается содержание Ti, что приводит к снижению твердости покрытия и снижению стойкости инструмента. Максимальное значение стойкости инструмента,

соответствующее сбалансированному соотношению HV/KiC - 2480/7,5 (рис.6) при отношении Al/Ti = 0,8-0,99, зафиксировано при /л=65 А (рис. 8).

В главе также приведены данные исследований функциональных и трибологических параметров системы резания твердосплавным инструментом с износостойкими комплексами, часть из которых проведена в областях применения инструмента с покрытием, относящихся к тяжелым, черновым и прерывистым операциям резания (области применения Р30-Р40, К30-К40), резания труднообрабатываемых материалов. Для экспериментальной проверки высказанных гипотез проведены широкие аттестационные (лабораторные и промышленные) испытания, результаты которых представлены ниже.

Среди параметров функционирование процесса резания наибольшее значение имеют силы и температуры резания, так как именно они определяют уровень термомеханического нагружения контактных площадок инструмента.

Для исследований сил, возникающих при резании инструментом, оснащенным СМП из твердого сплава Т14К8 с ИК (процесс ФВДО), использовали эмпирической подход. Измерение сил резания Р„ Ру, Рг производили на динамометре УДМ-600 с усилителем ТА-5, оснащенным специально разработанным интерфейсом, что позволяло вводить полученные данные непосредственно в ПК и обрабатывать их с помощью программы «Cutting Force».

Исследования позволили установить, что среди параметров процесса осаждения ИК на твердосплавные СМП давление азота ру оказывает наибольшее влияние на силы резания, причем заметное изменение при варьировании параметра ру претерпевает только главная составляющая силы резания Pz, в то время как силы резания Р„ Ру изменяются лишь незначительно. Установлено 15-17 % снижение силы Р, для СМП из сплава Т14К8 с ИК по сравнению с силами резания для СМП без покрытия. Варьирование параметров In и Uc приводит лишь к незначительному изменению сил Р„ Рр Рг . Установленный характер изменения силы при повышении давления азота р^ коррелирует с данными по влиянию ру на стойкость СМП с ИК, при этом максимальное повышение стойкости соответствует минимальному значению силы резания Рг.

Для исследования влияния ИК на температуры в зоне обработки использовали пакет программ в среде «DEFORM3D», позволяющих моделировать системы резания с учетом теплофизических характеристик элементов системы, величины скорости резания, состава покрытия или СОТС, износа режущего инструмента и распределения тепловых потоков. Среда DEFORM3D предусматривает некоторое упрощение системы резания. В частности, движение придаётся только жесткому телу, имитирующему режущий инструмент, к заготовке прикладываются только силы, в моделируемой системе резания инструмент перемещается относительно заготовки. Используя эталонную обработку, задавали основные условия тепловых исследований системы резания: режимы резания, геометрию инструмента и заготовки, параметры ИК и т.д. Принимали следующие условия моделируемой системы: - заготовка в виде цилиндра с диаметром £>=120 мм; - инструмент из сплава ТТ8К6 со следующими геометрическими параметрами режущей части - а=10°; у = 0; (р = ф]=45°; b = 3,09 мм; h = 5,16 мм; с = 4,76 мм; г = 0,79 мм. В расчетах использовали следующие режимы резания - п - 1600 об/мин, 5 = 0,11 мм/об, t = 0,7 мм. При компьютерном моделировании варьировали теплофизическими характеристиками, трибологическими свойствами контактной зоны, которые имитировали характеристики ИК на границе «инструмент-заготовка». К таким параметрам отнесены теплопроводность ИК, а также начальные условия контактной зоны (коэффициент трения), влияющие на образование источников теплоты и их интенсивность.

Установлено, что при обработке различных материалов инструментом без покрытия генерируется наибольшая температура, при этом максимальное снижение интенсивности тепловых потоков в системе «заготовка-инструмент» обеспечивают ИК на основе Ti-TiN-

(ПА1)Ы>Т1- 7ИУ-(А1, Т1) N>71-71 !У-(Т1, О^/У, имеющие многослойно-композиционную архитектуру.

В главе приведены результаты исследований режущих свойств твердосплавного инструмента с разработанными ИК для базовых операций продольного точения и фрезерования. Полученные данные (рис. 9) позволяют отметить высокую эффективность СТМ с разработанными наноструктурированными ИК на основе 77-(процесс ФВДО) не только по сравнению с контрольными СМП из сплава Т14К8 и СМП со стандартным покрытием Т/ТУ, но и с СМП из сплава Т14К8 со стандартным и

наноструктурированным покрытием (71^41)N (процесс КИБ-МеУУА).

Рис. 9. Изменение фаски износа h3 от времени резания г при продольном точении заготовки из стали 45 (НВ 180) резцами, оснащенными пластинами Т14К8 с различными покрытиями при t = 1,0 мм; S = 0,34 мм; v = 200 м/мин: 1 - контрольные Т14К8; 2 - T14K8-7W (стандартный процесс КИБ-MeWA); 3 - Т14К8- микрометрическое (TiyAl)N (стандартный процесс КИБ-МеУУА); 4 - Т14К8 - с ИК, полученном при использовании стандартного процесса КИБ-МеУУА; 5 - Т14К8 с разработанным ИК, полученным при использовании процесса ФВДО.

Показано, что фрезы, оснащенные СМП из твердых сплавов с разработанными наноструктурированными износостойкими комплексами (ИК) существенно превосходят по режущим свойствам как контрольные фрезы без покрытия, так и фрезы с многослойно-композиционными покрытиями.

В качестве оценочных триботехнических характеристик адгезионного взаимодействия пары трения «твердый сплав с ИК - обрабатываемый материал» при различных температурах контакта использовали: х„„ - сдвиговую (тангенциальную) прочность адгезионных связей при пластическом контакте; ргп - предельное нормальное давление; отношение т„„ / р,„. Результаты оценки триботехнических характеристик образцов из сплава ТТ8К6 показаны на рис. 10.

Полученные результаты позволили установить следующее. Все исследованные покрытия и ИК обеспечивают практически одинаковый характер зависимости триботехнических характеристик от температуры контакта (рис. 10) с точкой перегиба при температуре около 600 °С. Можно полагать, что именно при этой температуре происходят несамопроизвольные химические реакции формирования вторичных структур в области контактирования «обрабатываемый-инструментальный материал». С учетом полной корреляции результатов исследований триботехнических характеристик (т„пртт„„, р,„, и функциональных параметров резания и режущих свойств СМП с ИК можно полагать идентичность физико-химической природы формирования вторичных структур при триботестах и реальном резании. Очевидна также возможность использования результатов триботестов для предварительной аттестации разрабатываемых покрытий и износостойких комплексов.

Для выявления физического механизм изнашивания твердосплавного инструмента с покрытием проведены металлофизические исследования очагов

изнашивания инструмента с разработанными наноструктуриованными ИК. Для уяснения механизма влияния ИК на изнашивание инструмента были проведены дополнительные исследования вторичных структур, формируемых на поверхностях контакта режущего инструмента и обрабатываемой заготовки.

Рис.10. Зависимости изменения основных триботехпических параметров (т„лрг„,т„„, рп) от температуры в зоне контакта для различных триботехнических пар «покрытие (ИК) -обрабатываемый материал»: 1 - ЭИ-654 - СгЫ; 2 - ЭИ-654 - Т1Ы;3 - ЭИ-654 - (Ть СгЫ); 4 - ЭИ-654 - ИК [гг-(гг,Сг)-СгЩ; 5 - ЭИ-654 - ИК \П-Ш-(П,гг)Щ; 6 - ЭИ-654 - Ть

•ш.

Установлено, что на положительных вторичных спектрах для обоих исследуемых образцов интенсивность линии ТЮ достаточно высокая, что обусловлено интенсивным трибоокислением, в результате которого формируются не только субслои типа ТЮ2 (рутилоподобные), но и субслои оксидов алюминия Л1}Оз- При этом показано, что субслои, обладающие высокими антифрикционными свойствами, формируются только на износостойком слое (1) разработанного ИК (процесс ФВДО), что подтверждается спектрами отрицательных вторичных ионов. Формируемые плёнки оксида алюминия на контактных поверхностях инструмента не только заметно уменьшают трение, но и существенно тормозят тепловые потоки от фрикционных источников тепла в инструмент, увеличивая количество тепла, отводимого со стружкой. Указанное подтверждается результатами анализа теплового состояния системы резания и инструмента с разработанным ИК.

В главе 5 представлены результаты лабораторных и промышленных аттестационных исследований инструмента и оценки области применения твердосплавного инструмента с разработанными износостойкими комплексами, формируемыми при использовании вакуумно-дуговых процессов с фильтрацией паро-ионного потока (ФВДО). Условия аттестационных испытания твердосплавного инструмента с разработанными наноструктурированных износостойкими комплексами (ИК) были выбраны исходя из следующих соображений. Считается, что применение очень твердых и износостойких покрытий, обладающих относительно невысокой вязкостью и твердостью, не может быть достаточно эффективным для тяжелых и прерывистых операций обработки с чрезвычайно высоким термомеханическим воздействием на инструмент, следствием которого является потеря формоустойчивости режущего клина инструмента и быстрое разрушение относительно хрупких покрытий. С учетом высокой развитости межзеренных и межслойных границ наноструктурированных покрытий можно уверенно прогнозировать резкое возрастание способности таких покрытий сопротивляться разрушению, в том числе и при заметных пластических изменениях формы режущего клина инструмента в процессе его эксплуатации.

Рассмотрена возможность применения твердосплавного инструмента с разработанными ИК для тяжелой восстановительной обработки колесных пар и рельсов РЖД. Испытанию подвергали контрольные СМП (без покрытий), а также СМП с

разработанными многослойно-композиционными наноструктурированными ИК при репрофилирующей обточке катальной части колесных пар на тяжелых токарных станках типа И^атеГ иСВ-125 и иВВ 112 при режимах обработки, принятые на предприятиях МЖД: V = 40-80 м/мин; 5 = 0,8... 1,2 мм/об; ? = 4,0-8,0 мм. Оценку работоспособности СМИ производили по коэффициенту стойкости относительно исходных СМП из Т14К8, принятых за единицу при испытаниях с указанными режимами обработки при предельном износе по задней поверхности Нз=0,5 мм. Анализ результатов исследований позволяет отметить следующее.

Установлена высокая эффективность СМП формы ЬЫМХ (301940) из твердого сплава АТ15Б с разработанным наноструктурированными ИК по сравнению с лучшими зарубежными аналогами при тяжелой репрофилирующей обточке катальной поверхности колесных пар {рис. 11). В частности, отмечено не только более высокое среднее значение стойкости (88,1 мин) и коэффициента стойкости Кст(2,19), но и снижение коэффициента вариации стойкости (ю = 0,355). Последнее свидетельствует о существенном повышении надежности СМП формы ЦЧМХ (301940) из сплава АТ158 с разработанными ИК для тяжелой обработки, которой является репрофилирующая обточка упрочненной (нагартованной) поверхности колесных пар.

Широкие производственные испытания различных типов режущего инструмента (твердосплавные СМП, сверла, концевые и червячные фрезы из быстрорежущей стали Р6М5) с разработанными ИК, проведенные на ОАО «АвтоВАЗ», показали значительные преимущества по режущим свойствам инструмента с ИК (повышение стойкости инструмента в 1,5-4 раза по сравнению со стойкостью инструмента со стандартным покрытием или подвергнутого химико-термической обработке).

Производственные испытания цельнотвердосплавных концевых фрез (Ф=8,0 мм, Ъ=4 с у= 80 м/мин, 8м= 1000 мм/мин, г = 0,5 - 0,6 мм при круговом вращении лопатки из титанового сплава ВТЗ-1 и ширине строчки 0,15 мм на пяти координатном фрезерном станке 500УВ производства фирмы «Стерлитамак») показали, что при нанесении разработанного ИК на твердосплавные концевые фрезы их стойкость увеличивалась до 2,0 раз по сравнению с контрольным инструментом без покрытия и до 1,5 раза по сравнению с фрезами, имеющими стандартное покрытие.

Рис.11. Результаты сравнительных стойкостных испытаний ТСт и вариаций стойкости v СМП формы LNMX (301940) с покрытием лучших мировых производителей и СМП из твердого сплава AT15S с разработанными ИК при черновой обточке колесных пар с v = 50 м/мин; S = 1,2 мм/об; t= 6,0 мм:1 - СМП с разработанным ИК [Ti-TiN-(TiAl)N-TiN], процесс ФВДО; 2- СМП со стандартным многослойно-композиционным покрытием TiN-TiCN-TiN (Производитель 1), метод С KD; 3 - СМП с покрытием TiCN-Al2OrTiN (Производитель 2), метод HT-CVD; 4 - СМП с покрытии TiC-TiCN-TiN (Производитель 3), метод HT-CVD.

В главе также рассмотрены перспективы применения комбинированного метода осаждения покрытий на режущие инструменты, интегрирующего основные эффекты

20

процессов ассистирующей имплантации высокоэнергетических ионов и фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (процесс АФВДО). Полученные результаты позволяют отметить высокие возможности метода при формировании наноструктурированных покрытий высокой плотности и адгезионной прочности с инструментальным материалом, что обеспечивает повышение работоспособности инструмента.

Основные результаты работы и выводы

В работе решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в повышении режущих свойств инструмента путем рационального выбора состава, структуры и свойств наноразмерных износостойких комплексов, наносимых на режущий инструмент при использовании процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения.

В процессе выполнения теоретических и экспериментальных исследований достигнуты следующие научные результаты и сделаны выводы:

1. Разработана методика получения многослойно-композиционных износостойких комплексов с наноразмерной зерновой структурой и толщинами субслоев, позволяющих существенно повысить режущие свойства инструмента из твердых сплавов при непрерывном и прерывистом процессах резания.

2. Обоснованы методические принципы формирования покрытий многослойно-композиционной архитектуры для режущего инструмента, получивших наименование «износостойкие комплексы - (ИК)», содержащие три основных элемента, каждый из которых имеет строго функциональное назначение, определяющее высокую износостойкость, прочную адгезионную связь с инструментальным материалом и барьерные свойства относительно тепловых потоков и диффузии, что позволяют решать широкую гамму задач при проектировании покрытий для режущего инструмента.

3. Разработана методика выбора каждого из элементов износостойкого комплекса, в соответствии с которой:

наружный (износостойкий) слой должен формироваться из материалов, имеющих максимальную твердость и химическую инертность по отношению к обрабатываемому материалу, и обеспечивать высокую износостойкость инструмента;

слой, примыкающий к инструментальному материалу, должен обладать максимальной кристаллохимической совместимостью с инструментальным материалом и обеспечивать высокую адгезионную прочность между ними;

промежуточный слой, имеющий кристаллохимическую совместимость с наружным и внутренним слоями, должен осуществлять прочную связь между ними и выполнять барьерные функции тепловым и диффузионным потокам в инструментальный материал.

4. Разработан процесс фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО) износостойких комплексов, позволяющий резко увеличить качество ИК за счет практически полной (до 90-95 %) фильтрации макро- и микро капельной составляющей паро-ионного потока, исключать электроэрозионное растравливание режущих кромок и рабочих поверхностей инструмента и формировать нанозерновую структуру покрытия.

5. Предложена методика рационального выбора состава, структуры и свойств композиционных соединений типа (Ti.jaAlJN изменением соотношения Ме/Меу (например, соотношение Ti/Al), входящих в состав износостойких комплексов, которое, в свою очередь, можно варьировать в заданных пределах путем изменения таких параметров процесса ФВДО, как ток дуги, давление реакционного газа и напряжение смещения на инструменте.

6. Исследование состава и структуры износостойких комплексов, осаждаемых на твердосплавный субстрат при использовании разработанного процесса ФВДО, позволило классифицировать сформированные износостойкие комплексы как наноструктурированные. В частности, на примере ИК системы Ti-TiN-(Ti,Al)N установлено, что наружный слой [(Tiy4l)N] при толщине 2,0 мкм имеет нанослоистую

структуру с толщиной субслоев порядка 15-25 нм (соотношения TUAI порядка 2,6), а промежуточный слой (TiN) при общей толщине порядка 1,8 мкм также имеет наноразмерную слоистую структуру с толщиной субслоев 25 нм, при этом средняя величина размера зерен всех слоёв составляет 15-20 нм.

7. Разработана математическая модель процесса ФВДО, устанавливающая связь между стойкостью режущего инструмента с ИК и параметрами его синтеза - током дуги Id, напряжением смещения на инструменте Uc и давлением азотар;у, которая может быть использована в качестве целевой функции при оптимизации параметров процесса ФВДО, а также для установления степени влияния параметров синтеза на стойкость режущего инструмента.

8. Показано, что наиболее сильное влияние на стойкость инструмента оказывает ток дуги титанового катода In, так как при возрастании тока титанового катода (при Iai = const) увеличивается содержание титана и изменяется соотношение Ti/Al в износостойком слое (1) (Ti*Al)N, а твердость и трещиностойкости (К1С) имеют экстремум. Максимальное повышение стойкости твердосплавного инструмента при точении стали зафиксировано при In = 65 А, что соответствующее компромиссному соотношению HV/Kic - 2480/7,5 при отношении Ti/Al = 0,8-0,9.

9. Износостойкие комплексы ИК, наносимые на твердосплавные инструменты при использовании процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО), повышает режущие свойства инструмента не только путем снижения механического и теплового воздействия на контактные площадки инструмента, но и за счет интенсификации трибоокислительных процессов, в результате которых на контактных площадках инструмента формируются антифрикционные субслои (типа TiOi и А12Оз), улучшающие триботехнических параметры инструмента и благоприятно трансформирующие тепловое состояние системы резания за счет снижения теплоотдачи в инструмент и обрабатываемую поверхность и увеличения интенсивности теплоотвода со стружкой.

10. Изучены особенности и перспективы применения комбинированного метода осаждения покрытий на режущие инструменты, интегрирующего основные эффекты процессов ассистирующей имплантации высокоэнергетических ионов и фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (процесс А ФВДО). Процессы АФВДО позволяет легировать покрытие в момент его формирования элементами (внедрения) с контролируемыми параметрами и свойствами, что приводит к образованию структур (соединений) не предсказываемых равновесными диаграммами состояния, обеспечивает получение прочных адгезионных связей в системе «субстрат-покрытие» и позволяет при относительно низких температурах синтеза создавать плотные многослойно-композиционные покрытия с низкодефектными наноразмерными структурами.

11. Лабораторные и промышленные исследования различных типов твердосплавного режущего инструмента с разработанными износостойкими комплексами показали их высокую эффективность:

- при тяжелой репрофилирующей обработке нагартованной катальной поверхности железнодорожных колесных пар стойкость круглых и призматических твердосплавных пластин формы BNMX и LNMX из сплава AT15S с разработанным ИК Ti-TiN-(Ti,A I)N- TiN до 2-х раз превышала стойкост пластин со стандартными покрытиями и не уступали стойкости инструмента с покрытием лучших мировых производителей;

- при фрезеровании лопаток авиационных двигателей из титанового сплава ВТЗ-1 стойкость цельнотвердосплавных концевых фреза Ф=8,0 мм, Z=4 с разработанными ИК Zr-(Zr,Cr)-CrN при v= 80 м/мин, Sm= 1000 мм/мин, t = 0,5 - 0,6 мм на пятикоординатном фрезерном станке 500VB увеличилась до 2,0 раз по сравнению с контрольными фрезами без покрытий и до 1,5 раза по сравнению с фрезами со стандартными покрытиями;

- при продольном точении сплава ХН77ТЮР стойкость резцов, оснащенных СМП из сплава ВКЮ-ХОМ с разработанным ИК [Т1-ПЫ-(Т1,Сг,А1)Щ при V = 40 м/мин; I = 1,0 мм; 8 = 0,15 мм/об увеличилась до 8 раз по сравнению с контрольными СМП без покрытия и до 1,5-2,0 раз по сравнению с СМП со стандартными покрытиями.

Основное содержание диссертации изложены в следующих работах:

1. Верещака A.A. Управление структурой и свойствами износостойких покрытий как метод повышения эксплуатационных характеристик режущего инструмента -процессы, оборудование, технологияУА.А. Верещака, A.C. Верещака, В.Ф. Лапин. //Сборник научных трудов «Высокие технологии в машиностроении» НТУ «ХПИ».-Харьков, 2001-Вып. 1 (4). С.46-50.

2. Верещака A.A. Разработка режущего инструмента с покрытием для экологически чистого сухого резания. /A.A. Верещака, A.C. Верещака, В.Ф. Лапин. // Труды международной научно-практической конференции, том 1. - М.: Изд. МГТУ «СТАНКИН», 2001. с. 117-121.

3. Верещака A.C. Научные и технологические аспекты проблемы разработки режущих инструментов с износостойкими покрытиями повышенной эффективности. /A.C. Верещака, A.A. Верещака, А.Б. Чумиков, Л.Г. Дюбнер. //Резание и инструмент в технологических системах. - Межд. научн. техн. Сборник.- Харьков: НТУ «ХПИ», 2002. -Вып.62. - С. 12-20.

4. Верещака A.C. Разработка режущих инструментов с износостойкими покрытиями повышенной эффективности для экологически чистого резания. / A.C. Верещака, В.Ф. Лапин, Ю.Н. Прилукова, A.A. Верещака, А.Б. Чумиков, Т.Н. Михайлова // Производство. Технология. Экология: труды междунар. конф. «ПРОТЭК-02»: Труды международной научно-практической конференции, том 1. - М.: «Янус-К», 2002. С. 127138.

5. Верещака A.A. Патент на изобретение RU 2198243 С2 Многослойно-композиционное покрытие. Бюл. №4 от 10.02.2003 г.

6. Верещака A.C. Повышение эффективности инструмента путем управления составом, структурой и свойствами покрытий./А.С. Верещака, A.A. Верещака // Упрочняющие технологии и покрытия. 2005, № 9. С.9-19.

7. Верещака A.C. Особенности тепловых процессов в зоне резания при использовании инструментов с износостойкими покрытиями./А.С. Верещака, A.A. Верещака, Р.И. Ахметшин // Вестник РГАТА. - Рыбинск. - 2007. - № 1 (11). - С. 297 -300.

8. Верещака A.C. Тенденции совершенствования и методология создания функциональных покрытий для режущего инструмента /A.C. Верещака, A.A. Верещака. Производство. Технология. Экология. Сборник научных трудов № ¡0 в 3 томах. Том 3 (часть 2): -М.: «Янус-К», 2007. С.889-929.

9. Верещака A.A. Методология создания функциональных покрытий для режущего инструмента./А.А. Верещака, A.C. Верещака. Современные технологии машиностроения: Сб. научн. статей. ISBN 978-966-384-059-8. - НТУ «ХПИ», 2007. С.192-235.

10. Верещака A.A., Ахметшин Р.И. Исследование тепловых процессов в зоне резания при использовании инструмента с покрытием. Сборник научных трудов № 10 в 3 томах. Том 3 (часть 1):ю - М.: «Янус -К», 2007. С.502-507.

11. Евсеев Д.Г. Особенности применения твердосплавных пластин с наноструктурированным износостойким покрытием для механической обработки деталей железнодорожного транспорта./ Евсеев Д.Г., Верещака A.A., Попов А.Ю. //Труды научно-практической конференции «Безопасность движения поездов, часть 2, книга 2.- М.: МИИТ, 2007.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

ВЕРЕЩАКА АЛЕКСЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА ПУТЁМ РАЦИОНАЛЬНОГО ВЫБОРА СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НАНОРАЗМЕРНЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ КОМПЛЕКСОВ

Режущий инструмент является наиболее слабым звеном технологической системы резания, поэтому повышение его режущих свойств на основе создания модифицирующей промежуточной среды, одновременно повышающей сопротивляемость инструмента изнашиванию и благоприятно воздействующей на физико-химические процессы, приводящие к такому изнашиванию, является значимым резервом повышения эффективности технологической системы резания. В работе разработаны методические положения, проведены широкие экспериментально-теоретические исследования и предложены износостойкие комплексы, формируемые на рабочих поверхностях инструмента при использовании фильтруемых вакуумно-дуговых процессов, которые позволяют положительно воздействовать как на физико-механические свойства материала инструмента, так и на физико-химические процессы, приводящие к изнашиванию инструмента. Установлено, что разработанные износостойкие комплексы позволяют существенно повысить режущие свойства инструмента для широкой гаммы технологических условий обработки резанием.

VERESCHAKA ALEKSEY ANATOLIEVICH

RAISING OF CUTTING PROPERTIES OF THE CARBIDE TOOLS BY RATIONAL SHOISE OF COMPOSITION, STRUCTURES AND PROPERTIES FOR NANODIMANTIONAL WEAR-RESISTANT COMPLEXES

The edge cutting tool is the weakest part of machining technological system, therefore raising of its cutting properties on the basis of creation of the modifying intermediate medium simultaneously increasing resistance of the cutting tool to wear, and, favorably affecting on the physical and chemical processes leading such wear, is a significant reserve of raise of efficiency of cutting technological systems. In this thesis are offered methodical regulations, results of wide experimental - theoretical researches and the wear - resistant complexes formed on working surfaces of the cutting tools at use of filtrated vacuum-arc processes which allow to affect positively both physic mechanical properties of a cutting tool material, and on physical and chemical processes which leading to tool wear. It is established, that the developed wear resistant complexes allow to increase essentially cutting properties of the tool for wide gamma of technological conditions of machining by cutting.

ЛР № 063109 от 04.02.1999 г

Формат 60x90/16. Заказ 898. Тираж 100 экз.

Печать офсетная. Бумага для множительных аппаратов.

Отпечатано в ООО "ФЭД+", Москва, ул. Кедрова, д. 15, тел. 774-26-96

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ методов повышения режущих свойств инструмента нанесением функциональных покрытий. Цель и задачи исследований.

1.1. Анализ методов формирования покрытий на рабочих поверхностях режущего инструмента и тенденций их совершенствования.

1.1.1. Анализ особенностей методов ХОП (CVD).

1.1.2. Анализ процессов физического осаждения покрытий

ФОП-PVD) и тенденций их совершенствования.

1.2 Анализ тенденции совершенствования функциональных покрытий для режущего инструмента.

1.2.1. Концепции покрытий многоцелевого назначения.

1.2.2. Особенности получения наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий.

1.3. Повышение режущих свойств инструмента на основе направленного изменения состава, структуры, архитектуры и свойств покрытий.

1.4. Обобщение результатов анализа. Цель и задачи исследований.

ГЛАВА 2. Разработка методологии, рабочих гипотез и методики проведения исследований.

2.1. Разработка концепции функциональных покрытий для режущего инструмента, рабочие гипотезы исследований.

2.1.1. Систематизация требований к износостойким покрытиям для режущего инструмента.

2.1.2. Разработка концепции многослойно - композиционных 51 покрытий.

2.1.3. Методика выбора состава и свойств материала слоёв

2.1.4. Формулирование рабочих гипотез исследования.

2.2. Методика проведения экспериментальных исследований. 61 2.2.1. Методика формирования износостойких комплексов.

2.3. Контроль параметров износостойкого комплекса.

2.3.1. Методика контроля толщины ИК.

2.3.2. Методика оценки адгезия между износостойким комплексом и субстратом.

2.3.3. Методика исследования микротвердости.

2.3.4. Методика исследования вязкости разрушения.

2.4. Методика проведения исследований режущих свойств твердосплавного инструмента с ИК.g

2.4.1. Обрабатываемые материалы, оборудование, инструмент.

2.4.2. Методика оценки режущих свойств твердосплавного инструмента с ИК.

2.4.3. Методика статистической обработки результатов экспериментальных исследований.

Выводы по главе

Глава 3. Разработка и исследование износостойких комплексов для твердосплавного инструмента при различных условиях обработки.

3.1. Выбор архитектуры и составов износостойких комплексов

3.1.1. Архитектура ИК.

3.1.2. Обоснование выбора структуры и свойства ИК.

3.1.3. Условия формирования износостойких комплексов.

3.2. Исследование влияния параметров ФВДО на основные характеристики износостойкости ИК.

3.2.1. Исследование состава, структуры, морфологии и свойств

3.2.2. Результаты исследований.

3.2.3. Исследование основных параметров композиционных комплексов (на примере соединения (Tij.xAlx)N).

3.3. Исследование влияния параметров процесса осаждения на основные параметры ИК.

3.3.1. Исследования морфологии поверхности ИК.

3.3.2. Исследование влияния параметров осаждения на толщину

3.3.3. Исследование влияния параметров синтеза на микротвердость и трещиностойкость ИК.

3.3.4. Влияние параметров синтеза на адгезию системы «ИК -субстрат».

3.4. Разработка математической модели процесса ФВДО.

Выводы по главе.

Глава 4. Исследование параметров функционирования и трибологии процесса резания твердосплавным инструментом с разработанными износостойкими комплексами.

4.1. Методика осаждения ИК и наноструктурированных износостойких слоёв.

4.2. Методика исследований режущих свойств.

4.3. Методика исследования трибологических характристик.

4.3.1. Составы износостойких комплексов.

4.3.2. Методика исследований

4.4. Влияние параметров процесса синтеза ИК на износостойкость твердого сплава.

4.5. Исследование функциональных и трибологических параметров системы резания твердосплавным инструментом с ИК

4.5.1. Методика исследований.

4.5.2. Исследование функциональных параметров резания и трибологичеких характеристик инструмента с разработанными ИК

4.5.3. Исследование режущих свойств и трибологических параметров инструмента с разработанными ИК.

4.5.4. Анализ результатов исследований износостойкости и триботехнических характеристик твердосплавного инструмента с разработанными ИК.

Выводы по главе

Глава 5. Аттестационные исследования различных типов инструмента с разработанными ИК, получаемыми при использовании вакуумно-дугового процесса ФВДО.

5.1. Лабораторные и промышленные исследования режущих свойств СМП из твердых сплавов с разработанными ИК при точении различных материалов.

5.1.1.Промышленные испытания инструмента с разработанными ИК.

5.1.2 Лабораторные исследования инструментов с разработанными износостойкими комплексами.

5.2. Разработка процесса и технологии ассистируеще-фильтруемого вакуумно-дугового осаждения.

5.2.1. Особенности процесса ассистируеще-вакуумного вакуумно-дугового осаждения.

5.2.2. Обоснование и разработка процессов ассистирующефильтруемого вакуумно-дугового осаждения (А ФВДО).

5.2.3. Исследования режущих свойств.

5.2.4. Анализ результатов исследований.

Выводы по главе.

Основные результаты работы и выводы.

Одной из наиболее серьезных проблем технологического развития современного машиностроения является необходимость обеспечения постоянного соответствия между свойствами новых конструкционных материалов, подлежащих механической обработке, и все более ужесточающимися условиями эксплуатации изделий из таких материалов. Чаще всего наиболее слабым звеном системы «материал - рабочая среда», определяющей допустимые условия эксплуатации и ресурс системы в целом, является поверхность материала, что предопределяет высокую значимость разработки новых методов и технологий модификации поверхностных свойств. Применительно к системе лезвийной обработки резанием подобная система определяется взаимодействием инструментального и обрабатываемого материалов в условиях, создаваемых процессом резания. Наиболее эффективным методом повышения различных свойств инструментального материала является направленная модификация поверхности путем осаждения функциональных покрытий. Конечной целью модификации свойств поверхности инструментального материала является повышение режущих свойств инструментов, обеспечение их эксплуатационной надежности, особенно с учетом того, что . режущий инструмент является слабым звеном технологической системы резания. В этой связи разработка и практическое применение высокопроизводительных и экологически чистых процессов осаждения функциональных покрытий с целью направленной модификации свойств рабочих поверхностей режущего инструмента, альтернативных традиционным термическим и механическим методам модификации, является актуальной научно-практической задачей. Решение указанной задачи является значимым резервом повышения эффективности технологической системы резания любых обрабатываемых материалов, так как при использовании высококачественного инструмента с покрытием повышается работоспособность и надежность наиболее слабого звена такой системы. В этой связи установление закономерностей формирования составов, структуры и свойств функциональных композиционных покрытий в зависимости от параметров процесса их получения и эксплуатации в широком диапазоне изменения условий обработки является весьма актуальным, так как позволяет определить физическую природу взаимосвязи состава, структуры и строения модифицированного слоя инструмента с закономерностями изнашивания и режущими свойствами инструмента. Настоящая работа выполнена в Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН», Институте конструкторской и технологической информатике РАН и научно-производственной компании «Фирма ЭКОТЕК» в рамках госбюджетных научно-исследовательских работ по государственному контракту № 02.513.11.3353 от 01.08.2007 в соответствии с федеральной целевой научно-технической программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2007-2012 годы, а также по заданию Минобрнауки, проект р/н 2.1.2/4385 в соответствии с ведомственной программой «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009-2010 гг.». В работе разработаны методические положения, проведены широкие экспериментально-теоретические исследования и предложены износостойкие комплексы, формируемые на рабочих поверхностях инструмента при использовании фильтруемых вакуумно-дуговых процессов, которые позволяют положительно воздействовать как на физико-механические свойства материала инструмента, так и на физико-химические процессы, приводящие к изнашиванию инструмента. Установлено, что разработанные износостойкие комплексы позволяют существенно повысить режущие свойства инструмента для широкой гаммы технологических условий обработки резанием. На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Результаты теоретико-экспериментальных исследований концептуальной роли покрытия, как промежуточной технологической среды 6 двойственной природы, на основе которой разработана методология рационального выбора состава, структуры и свойств наноразмерных износостойких комплексов, наносимых на твердосплавный режущий инструмент при использовании процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения.

2. Методические рекомендации по формированию покрытий многослойно-композиционной архитектуры для режущего инструмента, получивших наименование «износостойкие комплексы - (ИК)», содержащие три основных элемента, каждый из которых имеет строго функциональное назначение, определяющее высокую износостойкость, прочную адгезионную связь с инструментальным материалом и барьерные свойства относительно тепловых потоков и диффузии, что позволяют решать широкую гамму задач при проектировании покрытий для режущего инструмента.

3. Функциональные связи параметров процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения многослойно-композиционных наноструктурированных износостойких комплексов с режущими свойствами твердосплавного инструмента для базовых операций обработки.

4. Математических моделях процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения наноструктурированных износостойких комплексов на твердосплавные инструменты, устанавливающих функциональные связи между основными параметрами процессов и износостойкостью инструмента.

Работа выполнена на основе использования фундаментальных положений теории резания материалов и физики твердого тела, методов статистического анализа результатов экспериментальных исследований, математического и компьютерного моделирования при теплофизическом анализе процессов с использованием пакета программ «DEFORM3D»,

ANSYS» и др. Изучение механизмов влияния параметров процессов осаждения износостойких комплексов на различные свойства системы износостойкий комплекс - твердый сплав» и вторичные структуры, возникающие при изнашивании в процессе резания или триботестах, 7 выполняли на основе современных методов металлографического и металлофизического анализов с использованием методик вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС), энерго-дисперсионной спекрометрии (ЭДС), электронно-сканирующей микроскопии.

Практическая ценность работы заключается в:

- разработанных и изготовленных вакуумно-дуговых установках ВИТ-2 и ВИТ-3, реализующих процессы фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО) и ассистируемого фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (АФВДО) для нанесения износостойких комплексов на твердосплавные, быстрорежущие и керамические инструменты;

- технологии, реализующие процессы ФВДО и АФВДО осаждения наноструктурированных износостойких комплексов на сменные многогранные пластины (СМП) из различных марок твердых сплавов, цельнотвердосплавные инструменты (сверла, концевые фрезы и др.) широкой, области технологического применения.

- рекомендации по применению СМП из различных марок твердых сплавов с разработанными износостойкими комплексами для операций резьбонарезания, сухой обработки с применением ионизированных газовых сред, различных технологических операций обработки материалов, применяемых в авиационном двигателестроении, тяжелой обработки железнодорожных колёсных пар и рельсов. Опытно-промышленными испытаниями на предприятиях РЖД подтверждена высокая работоспособность твердосплавного инструмента с разработанными износостойкими комплексами для тяжелых условий репрофилирующей обработки колесных пар.

Основные положения и результаты работы доложены на международных, всероссийских, региональных конференциях. По теме диссертационной работы опубликовано 10 работ, получен патент на изобретение.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в повышении режущих свойств инструмента путем рационального выбора состава, структуры и свойств наноразмерных износостойких комплексов, наносимых на режущий инструмент при использовании процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения.

В процессе выполнения теоретических и экспериментальных исследований достигнуты следующие научные результаты и сделаны выводы:

1. Разработана методика получения многослойно-композиционных износостойких комплексов с наноразмерной зерновой структурой и толщинами субслоев, позволяющих существенно повысить режущие свойства инструмента из твердых сплавов при непрерывном и прерывистом процессах резания.

2. Обоснованы методические принципы формирования покрытий многослойно-композиционной архитектуры для режущего инструмента, получивших наименование «износостойкие комплексы — (ИК)», содержащие

•три основных элемента, каждый из которых имеет строго функциональное назначение, определяющее высокую износостойкость, прочную адгезионную связь с инструментальным материалом и барьерные свойства относительно тепловых потоков и диффузии, что позволяют решать широкую гамму задач при проектировании покрытий для режущего инструмента.

3. Разработана методика выбора каждого из элементов износостойкого комплекса, в соответствии с которой: наружный (износостойкий) слой должен формироваться из материалов, имеющих максимальную твердость и химическую инертность по отношению к обрабатываемому материалу, и обеспечивать высокую износостойкость инструмента; слой, примыкающий к инструментальному материалу, должен обладать максимальной кристаллохимической совместимостью с инструментальным материалом и обеспечивать высокую адгезионную прочность между ними; промежуточный слой, имеющий кристаллохимическую совместимость с наружным и внутренним слоями, должен осуществлять прочную связь между ними и выполнять барьерные функции тепловым и диффузионным потокам в инструментальный материал.

4. Разработан процесс фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО) износостойких комплексов, позволяющий резко увеличить качество ИК за счет практически полной (до 90-95 %) фильтрации макро- и микро капельной составляющей паро-ионного потока, исключать электроэрозионное растравливание режущих кромок и рабочих поверхностей инструмента и формировать нанозерновую структуру покрытия.

5. Предложена методика рационального выбора состава, структуры и свойств композиционных соединений типа (Тi.xyAlJN изменением соотношения Мё/Меу (например, соотношение Ti/АГ), входящих в состав износостойких комплексов, которое, в свою очередь, можно варьировать в заданных пределах путем изменения таких параметров процесса ФВДО, как ток дуги, давление реакционного газа и напряжение смещения на инструменте.

6. Исследование состава и структуры износостойких комплексов, осаждаемых на твердосплавный субстрат при использовании разработанного процесса ФВДО, позволило классифицировать сформированные износостойкие комплексы как наноструктурированные. В частности, на примере ИК системы Ti-TiN-(Ti,Al)N установлено, что наружный слой [(Ti,Al)N\ при толщине 2,0 мкм имеет нанослоистую структуру с толщиной субслоев порядка 15-25 нм (соотношения THAI порядка 2,6), а промежуточный слой (TiN) при общей толщине порядка 1,8 мкм также имеет наноразмерную слоистую структуру с толщиной субслоев 25 нм, при этом средняя величина размера зерен всех слоёв составляет 15-20 нм.

7. Разработана математическая модель процесса ФВДО, устанавливающая связь между стойкостью режущего инструмента с ИК и параметрами его синтеза — током дуги 1д , напряжением смещения на инструменте Uc и давлением азота pN, которая может быть использована в качестве целевой функции при оптимизации параметров процесса ФВДО, а также для установления степени влияния параметров синтеза на стойкость режущего инструмента.

8. Показано, что наиболее сильное влияние на стойкость инструмента оказывает ток дуги титанового катода 1Ть так как при возрастании тока титанового катода (при IAl = const) увеличивается содержание титана и изменяется соотношение Ti/Al в износостойком слое (1) (Ti,Al)N, а твердость и трещиностойкости (К1С) имеют экстремум. Максимальное повышение стойкости твердосплавного инструмента при точении стали зафиксировано при ITi = 65 А, что соответствующее компромиссному соотношению HV/K/C - 2480/7,5 при отношении Ti/Al = 0,8-0,9. I

9. Износостойкие комплексы ИК, наносимые на твердосплавные инструменты при использовании процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО), повышает режущие свойства инструмента не только путем снижения механического и теплового воздействия на контактные площадки инструмента, но и за счет интенсификации трибоокислительных процессов, в результате которых на контактных площадках инструмента формируются антифрикционные субслои (типа ТЮ2 и А1203), улучшающие триботехнических параметры инструмента и благоприятно трансформирующие тепловое состояние системы резания за счет снижения теплоотдачи в инструмент и обрабатываемую поверхность и увеличения интенсивности теплоотвода со стружкой.

10. Изучены особенности и перспективы применения комбинированного метода осаждения покрытий на режущие инструменты, интегрирующего

230 основные эффекты процессов ассистирующей имплантации высокоэнергетических ионов и фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (процесс АФВДО). Процессы АФВДО позволяет легировать покрытие в момент его формирования элементами (внедрения) с контролируемыми параметрами и свойствами, что приводит к образованию структур (соединений) не предсказываемых равновесными диаграммами состояния, обеспечивает получение прочных адгезионных связей в системе «субстрат-покрытие» и позволяет при относительно низких температурах синтеза создавать плотные многослойно-композиционные покрытия с низкодефектными наноразмерными структурами.

11. Лабораторные и промышленные исследования различных типов твердосплавного режущего инструмента с разработанными износостойкими комплексами показали их высокую эффективность:

- при тяжелой репрофилирующей обработке нагартованной катальной поверхности железнодорожных колесных пар стойкость круглых и призматических твердосплавных пластин формы BNMX и LNMX из сплава AT15S с разработанным ИК Ti-TiN-(Ti,Al)N-TiN до 2-х раз превышала стойкост пластин со стандартными покрытиями и не уступали стойкости инструмента с покрытием лучших мировых производителей;

- при фрезеровании лопаток авиационных двигателей из титанового сплава ВТЗ-1 стойкость цельнотвердосплавных концевых фреза ф=8,0 мм, Z=4 с разработанными ИК Zr-(Zr,Cr)-CrN при v= 80 м/мин, SM= 1000 мм/мин, t = 0,5 - 0,6 мм на пятикоординатном фрезерном станке 500VB увеличилась до 2,0 раз по сравнению с контрольными фрезами без покрытий и до 1,5 раза по сравнению с фрезами со стандартными покрытиями;

- при продольном точении сплава ХН77ТЮР стойкость резцов, оснащенных СМП из сплава ВКЮ-ХОМ с разработанным ИК [Ti-TiN-(Ti,Cr,Al)N] при v = 40 м/мин; t = 1,0 мм; S = 0,15 мм/об увеличилась до 8 раз по сравнению с контрольными СМП без покрытия и до 1,5-2,0 раз по сравнению с СМП со стандартными покрытиями.

231

1. Верещака А.С. Работоспособность инструмента с покрытием /Верещака А.С. М.: Машиностроение, - 1993. - 336 с.

2. Верещака А.С. Основные аспекты применения и совершенствования режущих инструментов с износостойкими покрытиями //СТИН.2000.- № 9. С.33-40.

3. Vereshchaka А., / Lee W.Y. High Precision/High Speed Machining Technologies. Edition of HRDI, S.Korea, Cheonan. 2002. 393 p. (In English).

4. Верещака, А.С. Повышение эффективности инструмента путем управления составом, структурой и свойствами покрытий./А.С. Верещака, А.А. Верещака // Упрочняющие технологии и покрытия. 2005, № 9. С.9-19.

5. Scherbarth, S. Moderne Scheidstoffe und Werkzeuge-Wege zur gesteigerten Productivitat. Sandvik Dusseldorf. Warkzeugtagung 2002. (In German).

6. Cselle, T. Nanostracturierte Schichten in der Werkstaff. Platit AG. Warkzeugtagung 2002. (In German).

7. Moll, E., Hard coatings by plasma-assisted PVD technologies: industrial practice. / E. Moll,, E. Bergmann.// Surface and Coating Technology , 37 (1989) 483- 509. (In English).

8. Holleck, H. Basic principles of specific application of ceramic materials as protective layers. //Surface and coatings Tecnnology, 43/44 (1990) 245 258.

9. Vetter, J., The architecture and performance of compositionally gradient and multi-layer PVD coating. /J.Vetter, W. Burgmer, H. Dederichs, A.Perry. //Material Science Forum Vols. 163 165 (1994) pp.527 - 532. (In English).

10. Westphal Y. Dearbeitung Schwerspanbarer Werkstoffe. Widia Essen. Warkzeugtagung 2002. (In German)

11. Byrne, G. Advancing Cutting Technology. / G.Byrne, D.Dornfeld, B. Denkena. // CIRP Annals. Vol 52/2/2003. (In English).

12. Самсонов Г .В. Тугоплавкие покрытия . /Г.В. Самсонов, А.П.Эпик. //М.: Металлергия, 1973. 397 с.

13. Аникеев А.И. Пути повышения работоспособности режущего интрумента за счет нанесения покрытий. / А.И.Аникеев, В.Н.Аникин, В.С.Торопченов. //Современный твердосплавный инструмент и рациональное его использование. Л.: ЛДНТП. 1980. С. 40-44.

14. Изучение роста износостойких слоев из карбида титана на твердых сплавах /Г.Л.Платонов, В.Н.Аникин, А.И.Аникеев и др.//Порошковая металлургия № 8.1980. С. 48-52.

15. Хокингс М. Металлические и керамические покрытия: Получение, Свойства и применение: Пер. с англ. /М.Хокингс, В. Васантари, П. Сидки. //М.: Мир, 2000.-518 с.

16. Cobine J. 1980„Introduction to Vacuum Arcs Vacuum Arcs: Theory and Application. //Edition J. M. Lafferty (1980) (New York: Wiley). P 1-18. (In English).

17. Аксенов И.И. Формирование потоков металлической плазмы /Аксенов И.И., Падалка В.Г., Хороших В.М. //Обзор. М.: ЦНИИатоминформ. - 1984. - 83 с.

18. Аксенов И.И. Устройство для очистки плазмы вакуумной дуги от макрочастиц. /Аксенов И.И., Белоус В.А., Падалка В.Г., Хороших В.М. //ПТЭ. 1978, - № 5,- С. 236-242.

19. Аксенов И.И. Покрытия, получаемые конденсацией потоков в вакууме (способ конденсации с ионной бомбардировкой). / И.И. Аксенов, А.А Андреев. //УФЖ, 24, 4, 1979. 515 с.

20. Палатник JI.C. Механизмы образования и структура конденсированных пленок. /JI.C. Палатник, М.Я. Фукс, В.М. Косевич. //М.: Наука, 1972. 368 с.

21. Martin, P.J. Review of the filtered vacuum arc process and materials deposition. /Martin P.J. Bendavid A. //Thin Solid Films (2001). P 1-15. (In English).

22. Sedlacek, V. Metallic surfaces, films, and coatings. //Material science monographs, Bratislava, Ister Science Press, Elsevier Press, 1992. 362 p. (In English).

23. Handbook of Film Process Technology /P.J. Martin, .О. Knotek, A. Scherey and others.// 1995. London. IOP Publishing Ltd.- 218 p. (In English).

24. Григорьев C.H. Технология вакуумно-плазменной обработки инструмента и деталей машин. /С.Н.Григорьев, Н.А.Воронин. //Учебник. — М.: «Янус-К», ИЦГОУ МГТУ «Станкин», 2005,- 508 с.

25. Panckow, A.N. Advanced coating architectures deposited by pulsed and filtered arc ion-plating. / Panckow A.N.,Steffenhagen J., Lierath F. //Surface and Coating Technology 163-164 (2003). P.128-134.

26. Табаков В.П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана. /В.П.Табаков. Ульяновск: УлГТУ, 1998.- 123 с.

27. Табаков В.П. Повышение эффективности режущего инструмента путем направленного изменения параметров структуры и свойств материала износостойкого покрытия: дисс. . д-ра техн. наук /Табаков В.П. — Ульяновск. 1992.-641 с.

28. Болотников Г.В. Повышение надежности твердосплавного инструмента при резании труднообрабатываемых материалов путем нанесения сложнолегированных покрытий и газостатической обработки: дисс. . канд.техн. наук / Г.В. Болотников.-М.,1992.- 210 с.

29. Верещака А.С. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями /А.С. Верещака, И.П.Третьяков. -М.: Машиностроение, 1986.192 с.

30. Holeck, Н., Nanoskalige Schutyschichten fur hochbeanspruchte Bauteile. /Н. Holeck, H. Leiste, A. Ulrich. // NACHRICHEN -Forschungszentrum Karlsruhe Jahrg. 31, 1/99.(1999) S. 13-20.

31. R. Fella, H. Holleck. //Materials Science and Engineering, A140 (1991).-P. 676-681.

32. H. Holleck. //Plansee Proceedings 3 (1989). -P. 1-12.

33. M. Stuber, V. Schier, H. Holleck. //Surface Coating Technoljgy 74-75 (1995).- P 833-837.

34. S. Veprek, S. Reiprich. //Thin Solid Films 268 (1995). P 64-71.

35. S. Veprek. I/Surface Coating Technology 97 (1997). PI 5-22.

36. R. Fella, H. Holleck, H. Schulz, Surface Coating Technology 36 (1988).-P 257-264.

37. Шустер Л.Ш. Прибор для исследования адгезионного взаимодействия /Л.Ш. Шустер, М.Ш. Мигранов — Патент на полезную модель № 34249.-М. от 27.11.2003 г.

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

39. Чихранов А.В. Повышение работоспособности режущего инструмента путем разработки и применении многоэлементных износостойких покрытий на основе модифицированного нитрида титана: дисс. . к-та техн. наук /Чихранов А.В. Ульяновск. 2006. - 310 с.

40. Patten, J.W. Multilayer coatings for interrupted cutting /J.W. Patten,235

41. M.A.Bayne, D.D. Hays, R.W. Moss,E.D. McClanahan, J.W.Fairbanks. //Thin Solid Films, 64 (1979). 337 p.

42. Knotek,0. Multilayer Coatings for Improved Performance. /О. Knotek, F. Loffler, G. Kramer.//Surface Coating Technology, 59 (1993).- P 14-18.

43. Barnett, S. A. Physics of Thin Films / S.A. Barnett, M. H. Francombe, J. L. Vossen (ets.) //Academic Press, New York (1993) 1-77.

44. Дыбенко Ю.М. Исследование влияния параметров процесса осаждения нитрида титана на физико-механические свойства покрытий /Ю.М. Дыбенко С.А. Мельников, В.В. Будилов //Оптимизация технологических процессов по критериям прочности. Уфа, 1985. С. 72-78.

45. Касьянов С.В. Исследование режущих свойств и разработка путей дальнейшего развития инструментов с износостойкими покрытиями: дисс. .канд. техн. наук. /С.В. Касьянов.- М.: 1979.-249 с.

46. Кузин В.В. Повышение работоспособности и надежности твердосплавных инструментов нанесением многослойных и композиционных покрытий и их дополнительной обработкой: дисс. . канд. техн. наук./ В.В. Кузин.-М: 1986.-250 с.

47. Внуков Ю.Н. Повышение износостойкости быстрорежущих инструментов на основе исследования их трения с обрабатываемыми материалами и реализации новых технологических возможностей: дисс. . д-ра техн. наук /Ю.Н. Внуков. М.: 1992. 371 с.

48. Куликов М.Ю. Разработка способов повышения работоспособности режущего инструмента на основе механизмов его микро-и субмикроразрушения: дисс. . д-ра, техн.наук. /М.Ю. Куликов. М.: 1998. -420 с.

49. Брюхов В.В. Повышение стойкости инструмента методом ионной имплантации. — Томск: Изд-во НТЛ, 2003. — 120 с.

50. Верещака А.С. Физические основы процесса резания и изнашивания режущего инструмента с износостойкими покрытиями: учебное пособие /А.С.Верещака, В.П.Табаков. — Ульяновск: УлГТУ, 1998.- 123 с.

51. Тушинский Л.И. Исследование структуры и физико-механических свойств покрытий / Л.И.Тушинский, А.В. Плохов. Новосибирск: Наука, 1986.- 200 с.

52. Технология тонких пленок /Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга.Т.2.-М.: Сов. Радио, 1977.- 768 с.

53. Гольдштейн М.И. Металлофизика высокопрочных сплавов /М.И. Гольдштейн, B.C. Литвинов, Б.М. Бронфин. М.: Металлургия, 1986. - 312 с.

54. Барвинок В. А. Управление напряженным состоянием и свойствами плазменных покрытий /В.А.Барвинок. М.: Машиностроение, 1990, 1990.-384 с.

55. Tornton, J.A. Coating deposition by spattering /J.A. Tornton. //Film and Coating for Technology.- Sweden: CEI Course, 1981.- P. 568-577.

56. Mattox, D.V. Ion Platting Technology / D.V. Mattox. // Film and Coating for Technology.- Sweden: CEI Course, 1981.- P. 782-786.

57. Сладков Д.В. дисс. . канд. техн. наук. / Д.В. Сладков.М.: 2005.265 с.

58. Моисеев В.Ф. Влияние азота на структуру и свойства упрочняющих поверхностных покрытий на основе титана / В.Ф. Моисеев, Г.С. Фукс-Рабинович, Т.К. Досбаева // Физика и химия обработки материалов -1991.-№2.- С.18-121.

59. Кабалдин Ю.Г. Повышение работоспособности и надежности рабочей части режущего инструмента в автоматизированном производстве: автореф. дис. .д-ра. техн. наук. /Ю.Г. Кабалдин:05.03.01.1987.

60. Leyendecker, Т. TiAlN-Al203 PVD-multilauyerfor metal cutting operaton. / T. Leyendecker, I.Rass,G. Erkens, M. Feldhege. // Surface and Coating Technologies 97 (1997). P.790-793.

61. Okumiya, M. Mecfnical properties and tribological behavior of TiN-CrAlN and CrN-CrAIN multilayer coatings. /М. Okumiya, M. Gripentrog.// Surface and Coating Technologies 112 (1999). P. 123-128.

62. Derflinger, V. New hard/lubricant coating for dry machining./ V. Derflinger, H. Brandle, H. Zimmermann. // Surface and Coating Technologies 113 (1999). P. 286-292.

63. Panckow, A.N. Application of novel vacuum-arc ion-plating technologies for the design of advanced wear resistant coatings. /A.N. Panckow, J. Steffenhagen, D. Wegener, L. Dubner, F. Lierath. //Surface and Coating Technologies 138 (2001). P. 71-76.

64. Panckow, A.N. Advanced coating architectures deposited by pulsed and filtered arc ion-plating. /A.N. Panckow, J. Steffenhagen, F. Lierath. //Surface and Coating Technologies 163-164 (2003). P. 128 -134.

65. Lugscheider, E. Investigation of mechanical and tribological properties of CrAlN+C thin coatings deposited on cutting tools. /Е. Lugscheider, K.Bodzin, K. Lackner. // Surface and Coating Technologies 174-175 (2003). P.681-686.

66. Arndt, M. Performance of new AlTiN coatings in dry and high speed cutting. / M. Arndt, T. Kacsich. // Surface and Coating Technologies 163-164 (2003). P. 674-680.

67. Wroe H. US Patent 2,972,695, 1961.

68. SablevL. P. US Patent 3,793,1.9, 1974.

69. Snaper A. A. US Patent 3,836,451), 1974.

70. Cobine J. Introduction to Vacuum Arc Vacuum Arc: Theory and Application J M Lafferty (New York: Wiley, 1980) pp. 1-18.

71. Miller H. C. J. Appl. Phys. 52 4523, 1981.

72. Plyutto A. A., Ryzhkov V. N. and Karpin A. T. Sov. Phys. JETP 20,

73. Верещака А.А. и др. Многослойно-композиционное покрытие. Патент RU № 2198243 от 10.02.2003 г. с приоритетом от 05.08. 1998 г.

74. Григорьев С.Н. Нанесение покрытий и поверхностная модификация инструмента: учеб. пособие. /С.Н. Григорьев, М.А. Волосова М.: ИЦ МГТУ «СТАНКИН», Янус-К, 2007. 324 с.

75. Додонов А.И. Силаев В.А. Экплуатационные свойства ультрамелкозернистых покрытий. М.: НТО, № 1, 2000. С. 23-27.

76. Додонов А.И., Башков В.М. Получение электродуговой плазмы в криволинейном плазмоводе и нанесение покрытия на подложку. Патент RU 2173911 С2 от 20.09.2001 с приоритетом от 04.04. 1997. Бюлетень № 26.

77. Григорьев С.Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента: учебник для студентов втузов. М.: Машиностроение. 2009.368 с.

78. Mularie W. М. 1984. US Patent 4,430,184.

79. Narendrnath К. R., Zhao С. 1992. J. Adhesion Sci. Technol. 6. 1179.

80. G. Hilz, H. Holleck, Materials Science and Engineering A 139(1991) 268-275.

81. R. Fella, H. Holleck, Materials Science and Engineering, A140 (1991) 676-681.21.

82. H. Holleck, Plansee Proceedings 3 (1989) 1-12.22.

83. Ramalingham S. 1987. US Patent 4,673,477.

84. Brandolf H. 1985. US Patent 4,511,593.

85. S. Veprek, S. Reiprich,Thin Solid Films 268 (1995) 64-71.

86. Steffens H-D., Mack M., 1991. Surf. Coat. Technol 46. 65.

87. Martin P J, Netterfield R P, McKenzie D. R and others 1987 J. Vac. Sci. Technol. A 5. 22.

88. Osipov V. V., Padalka V. G., Sablev L. P. and Stupak R. I. 1978 Prib. Tekh. Eksp. 6. 173.

89. Akari K., Tamagaki H., Kumakiri R., Tsuji K., Koh E. S. and Tai C. N. 1990. Surf. Coat. Technol. 43. 312.

90. Sanders D. M. 1987 J. Vac. Sci. Technol. A 6. 1929.

91. Верещака A.C. Основные аспекты применения и совершенствования режущих инструментов с износостойкими покрытиями //СТИН, № 9. 2000. С. 33-40.

92. Верещака А.С. Анализ проблемы экологически безопасного резания. Труды IV международного конгресса «Конструкторско-технологическая информатика 2000. М. МГТУ «СТАНКИН», 2000. С. 112115.

93. Tonshoff Н.К. Influence of subsurface properties on the adhesion strength of sputtered hard coatings / H.K. Tonshoff, B. Karpuschewski, A. Mohlfeld, H. Seegers. Surf. Coat. Technol. 116-119 (1999) 524-529.

94. Власов В.И. Процессы и режимы резания конструкционных материалов. Справочник. М. Издательство «ИТО», 2007. - 189 с.

95. Lin K.L., Hwang M.Y., Wu C.D. Mater. Chem. Phys. 46 (1996). P 7783.

96. Rebholz C., Leyland A. , Schneider J.M., Voevodin A.A., Matthews A., Surf. Coat. Technol. 120 121 (1999) 412 - 417.

97. Kimura A., H. Hasegawa., H, Yamada K., Suzuki T. J. Mater. Sci. Lett. 19(2000), 601 602.

98. Ikeda Т., Satoh H. Thin Solid Films 195 (1991) 99.

99. Верещака A.C. Комбинировнные покрытия для повышения трибологических свойств и износостойкости инструмента из быстрорежущей стали. //А.С. Верещака, Л.Ш. Шустер, М.Ш. Мигранов. Запорожье, Вестник двигателестроения. 2007, №2, ISSN 1607-6885. С. 177-184.

100. Мигранов М.Ш. Повышение износостойкости инструментов на основе прогнозирования процессов адаптации поверхностей трения при резании металлов, дисс. . д-ра, техн.наук. /М.Ш Мигранов. М.: 2008.— 420 с.

101. Верещака А.С. Резание материалов: Учебник /А.С. Верещака, B.C. Кушнер. М.: высш. шк., 2009. — 535 с.

102. Стойкостныч испытаний пластины резьбовой сменной твердосплавной1. Оборудование1. Наименование1. Токарный сгакок с ЧПУ1. Модель16К20ФЗ1. Критерий отказа

103. Несоответствие нарезанной резьбы по шероховатости и натягу соответствующих калибров1. Испытатель1. Заготовка1. Магсриал, размеры

104. Сталь группы прочности"Д" по ГОСТ 633, ниппель с Ду--73 мм

105. Средняя наработка до отказа Т по 'ГУ, резьбовых концов751. А.А.Верещака1. Инструмент1. ГУ 1960-04000224633-021. Тип1. Ti 22 НИ 2.54 НКТ

106. Размеры: номинальная длина стороны треугольника 22 мм

107. Материал твердый сплав (руиныприменяемое! и ИСОРЮсож1. Состав

108. ЗО'/о раствор эмульсола в воде1. Расходобильное охлаждение1. Датаизготовления август 2009 г.

109. ЗАО "Резьбовые технологии"1. Режимы резанияскорость 110-120 м/мин, число проходов 4, подача = шагу резьбы р= 2.54 мм

110. Факшчсская средняя наоабона до отказа Т. резьбовых концов

111. Условный номер инструмента85