|
Discrete-Type PVD Coatings on Cutting Tools |
 |
Проблема повышения эффективности обработки материалов резанием остро ставит задачу поиска путей обеспечения работоспособности и надежности режущего инструмента. Выход из строя инструмента преимущественно обуславливается не его поломкой, а преждевременным износом рабочих поверхностей. Поэтому актуальным является вопрос разработки повышения износостойкости режущего инструмента за счет модификации поверхностного слоя путем формирования PVD-покрытий дискретного типа.
Е.Б. Сорока,
к.т.н., Институт проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины
Нанесение на рабочую часть инструмента тонкого слоя специального покрытия позволяет обеспечить достаточный уровень эксплуатационных характеристик инструмента. Это происходит не только за счет улучшенных физико-механических свойств модифицированного поверхностного слоя, но и в силу синергетического эффекта, когда благодаря объединению свойств нескольких материалов получается композиция с характеристиками, которые не могут быть достигнуты при применении каждого материала в отдельности.
На практике покрытие, как любой материал, сталкивается с проблемой разрушения в результате адгезионного отслоения, когезионного растрескивания и контактного выкрашивания. Это влечет необходимость разработки новых, все более эффективных покрытий, в основе создания которых лежат представления о контактном взаимодействии композита «инструментальный материал-покрытие» с обрабатываемым материалом с учетом действия окружающей среды.
Как известно из теории трения и изнашивания, в условиях эксплуатационного нагружения на контактных поверхностях элементов пары трения формируется рациональный, с точки зрения энергетических затрат, рельеф, который оказывает существенное влияние на эксплуатационные характеристики системы. При этом на поверхностях трения может наблюдаться грубый рельеф как результат эффектов схватывания, задира и разрушения. Применительно к композиту с покрытием возможно прорастание трещины из покрытия в основу, а участки покрытия могут разрушаться с образованием «лоскутковой» структуры в результате развития магистральной интерфейсной трещины. Это в условиях экстремального нагружения и интенсивных режимов эксплуатации инструментов с покрытиями может приводить к снижению их работоспособности по сравнению с даже непокрытыми инструментами.
Эффективным направлением повышения работоспособности композиционных изделий является получение новых покрытий с устойчивыми архитектурными формами, сохраняющими исходную конфигурацию рабочей поверхности в условиях эксплуатационного нагружения.
В Институте проблем прочности им. Г.?С. Писаренко НАН Украины под руководством проф. Б.А. Ляшенко эту задачу было предложено решать путем создания прерывистой топографии поверхности в результате формирования покрытий дискретного типа (рис. 1).
Широко применяемые на практике вакум-плазменные (PVD) покрытия, полученные методом катодно-ионной бомбардировки на установке типа ННВ-6,6-И1 («Булат-20»), могут быть сформированы как дискретные за счет размещения маски между поверхностью детали и испарителем. В зависимости от расстояния между поверхностью детали и сетчатым экраном, профиль поперечного сечения отдельных участков покрытия приближается к форме равнобедренной трапеции или прямоугольника (рис. 2).
Для инструмента с вакуум-плазмеными покрытиями (TiN, Ti (C,N), (Ti,Al) N)) наблюдается снижение сил резания и трения по сравнению с инструментом без покрытия. Это определяется двумя факторами: уменьшением поверхности контакта со стружкой и изменением адгезионного взаимодействия стружки с поверхностью инструмента. Для покрытий дискретного типа будет иметь место уменьшение поверхности контакта инструмента со стружкой и изменение условий контактного взаимодействия, приводящие к еще большему снижению сил резания.
Для определения влияния покрытия и его сплошности "пси" (отношение площади участков покрытия к общей площади поверхности, на которую нанесено покрытие) на составляющие силы резания проводилась токарная обработка сплава ХН70ТЮР инструментом без покрытия и с покрытием Ti(C,N) толщиной 6 мкм сплошного и дискретного типов (размеры дискретного участка — 120 х 120 мкм). Резцы оснащались твердосплавными пластинами Т15К6 и имели геометрические параметры:
Режимы резания: скорость резания v — 30 м/мин, подача S — 0,15 мм/об, глубина резания t — 1 мм.
На рис. 3 представлены соотношения (kPz) составляющих силы резания P zдля инструментовс покрытием дискретного типа и без покрытия (кривая 1), а также инструментов с покрытием дискретного типа и со сплошным покрытием (кривая 2) в зависимости от сплошности покрытия.
Как видно из результатов исследований, при использовании инструмента с покрытием дискретного типа уменьшение силы резания может составлять до 35 % по сравнению с инструментом без покрытия и до 12 % по сравнению с инструментом со сплошным покрытием. При этом максимальное снижение соответствует сплошности 58–62 %. Полученный результат обусловлен тем, что при низкой сплошности покрытия (до 30 %) не исключен контакт обрабатываемого материала с поверхностью основы инструмента в междискретных промежутках, а при повышении сплошности (более 90 %) увеличивается площадь контакта и покрытие дискретного типа приближается к сплошному.
Для изучения адгезионного взаимодействия между режущим инструментом с покрытием и обрабатываемым материалом проведены трибометрические экспериментальные исследования по определению коэффициента К адг относительной адгезионной активности:
где Fэкси, Fеэксэт — прирост сил трения при одинаковом значении угла поворота индентора для исследуемой и эталонной пар трения; Sи, Sэт — суммарная площадь лунок, которые возникают на нижнем и верхнем образцах из обрабатываемого материала в исследуемой и эталонной парах трения.
Эксперименты проводили применительно к контактной паре «твердый сплав Т15К6 с покрытием — сплав ЕП962». На индентор из твердого сплава Т15К6 наносили одно- и двухслойное вакуум-плазменные покрытия сплошного и дискретного типов. В качестве эталонной принимали пару трения с индентором без покрытия. Нормальное нагружение на поверхность основы по оси индентора N = 1764 H, среднее контактное давление P= 620 МПа, угловая скорость вращения индентора w = 0,035 с-1.
Результаты исследований показывают, что наличие покрытия на инденторе снижает коэффициент относительной адгезионной активности. Для сплошного двухcлойного покрытия TiN+Ti(C,N) Кадг= 0,62, а для такого же покрытия дискретного типа с размером участков 80 х 80 мкм Кадг= 0,57, что соответствует уменьшению адгезионной активности на 38 % и 43 % соответственно. Анализ зависимостей, представленных на рис. 4, показывает, что для каждого типа покрытия существуют значения геометрических параметров, при которых адгезионное взаимодействие между индентором и образцом из сплава ЕП962 является минимальным.
Снижение сил резания и уменьшение адгезионного взаимодействия поверхности с покрытием дискретного типа и обрабатываемого материала приводят к формированию меньших напряжений на рабочих поверхностях и в приповерхностных слоях материала режущего инструмента.
Расчеты проведены с использованием метода конечных элементов для твердосплавной режущей пластины из Т15К6 с вакуум-плазменным покрытием Ti(С,N) толщиной 8 мкм сплошного и дискретного типов. Они показали, что последнее позволяет не только снизить уровень напряжений в поверхностных слоях основного материала пластины, но и сместить максимум касательных напряжений от поверхности адгезионного контакта «основа — покрытие» вглубь материала композита (рис. 5).
Наличие на контактных поверхностях дискретного покрытия способствует разгрузке основного материала. Одновременно с этим такое покрытие характеризуется большей стойкостью к адгезионному отслоению, обусловленному действием касательных напряжений на поверхности контакта «основа — покрытие».
Следует отметить, что основной материал режущей пластины в междискретных промежутках при этом не испытывает воздействия касательной составляющей нагружения: касательные напряжения равны нулю, а нормальные напряжения за пределами соседних дискретных участков взаимно компенсируются.
Такая относительная разгруженность междискретных участков инструмента особо важна за зоной резания (зона І), которая (рис. 6) характеризуется напряжениями растяжения. Несвязность участков покрытия между собой приводит к разгрузке самого покрытия от возникающих в нем растягивающих напряжений, которым хрупкое покрытие плохо сопротивляется. Кроме того, напряжения растяжения в покрытии (зона ІІ) сильно зависят от коэффициента трения, который снижается для покрытий дискретного типа.
Преимущества покрытий дискретного типа связаны еще и с тем, что в условиях эксплуатационного нагружения площадь контакта «инструмент — деталь» не является постоянной: она изменяется с изменением контактного давления, а также зависит от размеров и материала обрабатываемой детали. При несовпадении зоны нагружения и участка со сплошным покрытием (нагруженная зона меньше, чем покрытая поверхность) максимальные напряжения в покрытии выше, чем в случае совпадения зон нагружения и покрытия. При использовании покрытия дискретного типа, в силу несвязанности между собой дискретных участков, зона покрытия и нагружения совпадают. Изолированный участок покрытия является также более жестким, чем сплошное покрытие. Кроме того, для предлагаемой прерывистой топографии поверхности развитие трещины по поверхности адгезионного контакта «основа — покрытие» будет ограничено участком одного дискрета без перехода трещины на следующий участок.
Для PVD-покрытий, как правило, характерен высокий уровень остаточных напряжений сжатия, с которым связывают повышение их трещиностойкости, износостойкости и коррозионной стойкости. Вместе с тем остаточные напряжения сжатия могут привести к вспучиванию покрытия с последующим растрескиванием. Формирование покрытий дискретного типа позволяет ограничить величину остаточных напряжений сжатия, сохранив ее на «полезном» уровне, и избежать отслоения покрытия. Размеры таких участков определяются исходя из недопущения вспучивания (потери устойчивости) при действии остаточных напряжений сжатия в покрытии. С уменьшением величины остаточных напряжений сжатия в покрытии снижается уровень остаточных напряжений растяжения в основе, которые возникают как уравновешивающие, что позволяет уменьшить деформацию основы, а следовательно, предотвратить отслоение покрытия.
Как показали исследования, на основах из различных материалов в покрытиях могут формироваться напряжения различного знака. Разные знаки остаточных напряжений в покрытиях обусловлены превалирующей ролью структурной (напряжения сжатия) или термической (напряжения растяжения) составляющих этих напряжений. В условиях эксплуатации может возникнуть ситуация, когда поверхностный слой инструмента является предварительно растянутым, и остаточные напряжения растяжения в покрытии суммируются с эксплуатационными напряжениями того же знака. Превышение эффективными напряжениями растяжения в покрытии предела когезионной прочности материала последнего отвечает началу растрескивания. Предварительное создание регулярного рельефа из дискретных участков позволит предотвратить когезионное разрушение покрытия, если размер дискретного участка выбрать исходя из величины шага трещин.
Необходимо отметить, что в полной мере реализовать преимущества дискретных покрытий можно, если обеспечить формирование устойчивой структуры композита. Например, на основе минимизации эксплуатационных напряжений в сочетании с созданием «полезных» остаточных напряжений за счет управления физико-механическими и геометрическими параметрами системы «основа — покрытие».
Приведем результаты исследования износостойкости режущих инструмента, оснащенного твердосплавными пластинами ВК8 с покрытиями TiN толщиной 8 мкм сплошного и дискретного (участки 40 х 40 мкм) типов при точении стали ХВГ (62–64 HRC). Режимы обработки: скорость резанья v — 1,2 м/с, подача S — 0,2 мм/об, глубина резанья t — 0,25 мм. Стойкость инструмента с покрытиями дискретного типа в 1,8–2,6 раза выше по сравнению с инструментом без покрытия и в 1,3–1,8 раз выше по сравнению с инструментом со сплошным покрытием (рис. 7). Результаты исследований показывают, что оптимальная величина сплошности покрытия 58–62 %. Этот интервал совпадает со значениями сплошности, которым соответствуют минимальные величины сил резания и наименьшая адгезионная активность на контактных поверхностях инструмента, что наряду с оптимальным напряженно-деформированным состоянием композита и обеспечивает повышение стойкости инструмента.
Таким образом, создание прерывистой топографии поверхности режущего инструмента с покрытиями приводит:
