Тенденции развития вакуумно-дуговых установок для синтеза сверхтвердых наноструктурных покрытий для упрочнения инструмента

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ИНСТРУМЕНТ»

Vacuum-Arc Nanocoating Units Development Trends
The authors of the article produced a detailed retrospective analysis of the technologies and equipment for vacuum-arc coatings application. It is pointed out that the almost universal vacuum-arc units Bulat designed in the USSR were used all over the world in 1970s. During the last decade the number of specialized hardening coatings has considerably grown, which brought about the necessity to design new-generation vacuum-arc equipment for obtaining multifunctional and multicomponent coatings with unique physical and chemical properties

 

В.М. Шулаев, к.ф.-м.н., с.н.с.,
Д.А. Листопад, к.т.н.

В настоящий момент в мире на основе новых технологий активно ведутся разработки нового вакуумно-дугового оборудования для синтеза сверхтвердых наноструктурных упрочняющих покрытий для режущего инструмента. Новое вакуумно-дуговое оборудование и новая передовая технология используют вращающиеся катоды. В первом случае, если катод расположен по вертикальной оси в центре вакуумной камеры — это CERC-технология. Во втором случае катоды с боковым расположением от покрываемого объекта — это LARC-технология. Сверхтвердые наноструктурные покрытия кубического нитрида титана сильно нестехиометрического состава синтезируют с помощью НИТТИН-технологии.

Вакуумно-дуговое нанесение покрытий — физический метод нанесения покрытий в вакууме путем осаждения на подложку (изделие, деталь) материала из плазменных потоков, генерируемых на катоде-мишени в катодном пятне вакуумной дуги сильноточного низковольтного разряда, развивающегося исключительно в парах материала электрода. В настоящее время этот метод используется для нанесения металлических, керамических и композитных пленок на различные изделия.

Технология впервые внедрена в промышленность в начале 70-х годов прошлого столетия в СССР. Первым материалом высокотвердых покрытий для упрочнения инструмента стал нитрид титана. За последующие тридцать лет ему составили компанию нитрид хрома, карбонитрид титана и нитрид титана, легированный алюминием. Массовое применение таких монослойных покрытий выделило их в категорию универсальных.

Вакуумно-дуговые установки для нанесения таких покрытий также не отличались большим многообразием. В Советском Союзе были разработаны установки серии «Булат», серии ННВ и различные модификации на их основе. Все эти установки имели круглые плоские титановые катоды диаметром менее 70 мм. В 1979 году СССР продал лицензию на технологию и оборудование в США, чем был дан мощный импульс распространению данной технологии во всем мире. Форма катодов вакуумно-дуговых установок, теперь выпускавшихся уже за пределами СССР, оставалась такой же, но расширялся круг тугоплавких нитридообразующих материалов. Кроме титана, в качестве материала катода стали применяться хром, цирконий, ванадий, ниобий и др. Несмотря на ограниченный перечень используемых универсальных покрытий, в промышленности в условиях массового производства инструмента подобная ситуация устраивала всех участников рынка. Десятки компаний во всем мире осваивали производство однотипного вакуумно-дугового оборудования. Впечатляющие партии различных типов инструментов упрочнялись покрытиями на многих тысячах таких установок и вполне успешно реализовывались на рынке.

Сложившаяся ситуация на рынке инструмента начала в корне меняться в первые годы нового тысячелетия. Пользователи, накопившие большой опыт эксплуатации вакуумно-дуговых установок, осознали, что в ряде случаев лучше отказаться от универсальных и начать использовать покрытия, специально предназначенные для решения конкретных задач. Поэтому возник новый рыночный сегмент с использованием мелко- и среднесерийного инструмента со специальными упрочняющими покрытиями. Число таких покрытий взрывоподобно возросло за последние десять лет (см. рис.). Новые покрытия стали многокомпонентными, многослойными, градиентными, нано-

слоистыми, нанокомпозитными и др. Ввод в промышленный оборот большого числа новых видов покрытий повлек за собой интенсивные технологические исследования в системах «покрытие — инструмент». Поэтому на сегодняшний день не по всем вопросам и явлениям достигнуто понимание на должном научном уровне. В первую очередь это связано с тем, что процессы механической обработки сами по себе достаточно сложны. В связи с этим идет накопление большого объема эмпирической информации при сильном отставании фундаментальных исследований в этой области.

Сверхтвердые многокомпонентные покрытия на сегодняшний день синтезированы на основе нитридов и карбидов титана, циркония, хрома, ванадия, молибдена, алюминия, кремния и др.

Структурный элемент многослойного или нанослоистого покрытия состоит из чередующихся слоев в пределах наномасштабной толщины каждого слоя, которая не превышает нескольких десятков нанометров. Как правило, такие нанослойные композиты являются двухфазными на основе бинарных нитридов или карбидов. Хотя эти системы могут быть и многокомпонентными.

Наибольшие успехи достигнуты в области синтеза нанокомпозитных упрочняющих покрытий. Обширней всего исследованы сверхтвердые нанокомпозиты системы nc-TiN/a-Si3N4 (где nc — означает нанокристаллический, a — рентгеноструктурно аморфный). Впервые до промышленного применения эти покрытия довела компания Hitachi Tool Engineering, Ltd. Она использовала для этих целей специальную вакуумно-дуговую установку с планарными катодами. Ряд свойств нанокомпозитов этой системы, в частности стойкость к окислению, были улучшены путем легирования алюминием. Промышленностью бурно осваиваются покрытия элементного и фазового состава

nc-(Ti1-xAlx)N/a-Si3N4. Первые попытки их синтеза были предприняты чешской компанией SHM, s.r.o. с использованием вакуумно-дуговой технологии с сегментированным центральным катодом. Затем ее сменила новая передовая технология, разработанная этой компанией совместно со швейцарской фирмой PLATIT.

Новое вакуумно-дуговое оборудование и новая передовая технология используют вращающиеся катоды. В случае, если катод расположен по вертикальной оси в центре вакуумной камеры — это CERC-технология. В противном случае катоды с боковым расположением от покрываемого объекта — это LARC-технология. Преимущества новых технологий заключаются в следующем:

  • повышение долговечности за счет однородности эрозии вращающихся цилиндрических катодов по сравнению с неподвижными планарными (в пять-шесть раз);
  • значительное уменьшение содержания частиц капельной фазы и, как следствие, значительное снижение шероховатости поверхности при сохранении высоких скоростей осаждения, присущих методу вакуумного дугового осаждения;
  • относительно малое пространственное разделение двух или более цилиндрических катодов, изготовленных из различных материалов, что позволяет осуществлять вариации состава на наномасштабном уровне;
  • «виртуальная заслонка», которая обеспечивает возможность предварительной очистки катодов до осаждения покрытий на инструмент, и таким образом повысить адгезию покрытий.

Таким образом, данная технология демонстрирует громадный потенциал, доступный для практического использования при упрочнении режущего инструмента. Например, при сопоставлении долговечности твердосплавных сверл с покрытием

nc-(Ti1-xAlx)N/a-Si3N4 (при температуре в зоне сухого резания выше 800°С) демонстрируют четырехкратное повышение ресурса в сравнении с такими же сверлами, но с покрытием (AlTi)N. В случае же с нитридом титана наблюдается более чем 10 кратный прирост эксплуатационного ресурса.

Причем переход на наноструктурный уровень организации материалов дал толчок к развитию универсальных и уже широко распространенных покрытий типа нитрида титана. В первую очередь отметим технологию нового поколения, разработанную в ННЦ ХФТИ — «НИТТИН»-технология на основе пульсирующей плазмы (метод плазменной ионной имплантации и осаждения). Эта технология позволяет синтезировать сверхтвердые покрытия кубического нитрида титана сильно нестехиометрического состава TiNy(?)1-y (где (?) — структурная вакансия, y — содержание азота, 1-y — концентрация структурных вакансий в подрешетке азота). Наноструктурные сверхтвердые покрытия нитрида титана можно уже рассматривать как покрытия специального типа для эксплуатации при относительно низких температурах. Они имеют перспективу для упрочнения инструмента холодной штамповки. Для этих целей разрабатывается новая специализированная вакуумно-дуговая установка НИТТИН-6.6 (где первая цифра — диаметр рабочего пространства в дециметрах, вторая — высота).

Таким образом, дальнейший прогресс в области упрочняющих покрытий связан с разработкой специализированного вакуумно-дугового оборудования нового поколения, обеспечивающего возможность получения многофункциональных и многокомпонентных покрытий с высокой однородностью, воспроизводимостью по составу и другим характеристикам. Как следствие, специализация ведет к созданию новых единичных образцов вакуумно-дугового оборудования. Производство однотипных (серийных) вакуумно-дуговых установок универсального назначения, по-видимому, уже пройденный этап.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.