Совершенствование износостойких ионно-плазменных покрытий на основе нитрида титана

 

Чихранов А.В., Гатауллов И.Н. (Технологический институт – филиал ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА», г. Димитровград, Ульяновская обл., РФ)

 

In work influence of alloying elements on structural parameters, physic-mechanical properties and working capacity of the cutting tool with ionic-plasma coverings on the basis of nitride of the titan is considered. It is shown that the greatest effect gives additional introduction in structure of a covering of silicon. The further ways on its further application as an alloying element are considered.

 

Среди методов нанесений износостойких покрытий на режущий инструмент наиболее широкие возможности имеет физическое осаждение из паровой фазы и, в частности, метод конденсации вещества в вакууме с ионной бомбардировкой (метод КИБ). Получаемые таким способом ионно-плазменные покрытия характеризуются высокой твердостью и износостойкостью, что позволяет повысить стойкость режущего инструмента в 2…10 раз по сравнению с режущим инструментом без покрытия. Среди осаждаемых покрытий наиболее широкое применение получили покрытия на основе нитрида титана TiN, TiAlN, TiZrN  и др. [1, 2]. В работе [3] показано, что введение в состав покрытий TiMe₁N (где Me₁ – первый легирующий элемент) второго легирующего элементами приводит к дополнительному повышению физико-механических свойств покрытий и, как следствие, работоспособности режущего инструмента. Образующиеся сложные нитриды состава TiMe₁Me₂N имеют сложное строение, что связано с микрослойным формированием покрытия из потоков плазмы различного химического состава.

Анализ результатов работ показал [1 – 3], что влияние легирующих элементов на физико-механические свойства осаждаемых покрытий проявляется в различной степени. Поэтому в работе изучалось влияние состава покрытий, легированных одним и двумя элементами, на его структурные параметры, физико-механические свойства и работоспособность режущего инструмента с ними. В качестве изучаемых структурных параметров были выбраны: период кристаллической решетки а, полуширина рентгеновской линии β₁₁₁, остаточные напряжения σ, физико-механических свойств – микротвердость H_μ, модуль упругости первого рода Е, предел текучести σ_т, вязкость разрушения К_ICП.

Исследование структурных параметров проводилось на дифрактометре «ДРОН-3М» с использованием фильтрованного Сu_кa-излучения, определение физико-механических свойств осуществлялось согласно методикам работы [4]. В качестве режущего инструмента использовали токарные пластины из твердого сплава МК8. Интенсивность износа J определялась при продольном точении заготовок из стали 30ХГСА (режимы резания: скорость резания V=180 м/мин; продольная подача S=0,15 мм/об; глубина резания t=0,5 мм).

На первом этапе изучалось влияние одного легирующего элемента на свойства покрытия. В качестве покрытий были выбраны следующие: TiZrN, TiAlN и TiSiN. Нанесение покрытий осуществлялось на установке «Булат-6Т». Химический состав покрытий и режимы осаждения были выбраны согласно рекомендациям работы [1]. Результаты исследований приведены в табл. 1.

 

Таблица 1 – Влияние легирующих элементов на структурные параметры, физико-механические свойства и интенсивность износа режущего инструмента

Покрытие	Содержание лег. элемента, % мас.	a, нм	β111, град	σ, МПа	Hμ, ГПа	Е, ГПа	σт, ГПа	КICП, МПа·м½	J, ·10-5 мм/м
TiN	-	0,4235	0,49	-775	29,16	307	9,53	12,29	3,77
TiAlN	15,63	0,4230	0,57	-903	38,65	369	12,26	14,77	2,49
TiZrN	17,55	0,4293	0,55	-1256	38,39	379	12,38	14,44	2,26
TiSiN	1,25	0,4243	0,56	-1020	36,45	350	11,17	14,46	1,97
TiZrAlN	9,25*	0,4305	0,67	-1413	46,39	428	14,47	16,17	1,43
TiZrSiN	0,84*	0,4289	0,66	-1746	44,38	423	13,91	15,83	1,24

* - содержание второго легирующего элемента

 

Как видно из представленных данных, введение в состав покрытия на основе нитрида титана легирующего элемента приводит к изменению структурных параметров. При легировании нитрида титана алюминием происходит уменьшение периода кристаллической решетки, в то время как при введении в состав циркония и кремния, наоборот, увеличение. Для всех покрытий сложного состава характерно увеличение полуширины рентгеновской линии β₁₁₁ на 12…16 %, что свидетельствует об увеличении микроискажений кристаллической решетки и ее дефектности. Изменение структурных параметров приводит к увеличению величины сжимающих остаточных напряжений σ на 17…62 %, микротвердости H_μ – на 25…33 %, модуля упругости первого рода Е – на 14…23 %, предела текучести σ_т – на 17…30 %. Изменение основных физико-механических характеристик приводит к увеличению трещиностойкости покрытий сложного состава, о чем свидетельствует повышение вязкости разрушения К_ICП на 17…20 % по сравнению с покрытием TiN. Изменение основных физико-механических свойств покрытий приводит к повышению работоспособности режущего инструмента. Так применение покрытия TiZrN снижает интенсивность износа режущего инструмента в 1,67 раза, покрытия TiAlN – в 1,51 раза, а TiSiN – в 1,91 раза по сравнению с использованием покрытия TiN.

Стоит отметить, что применение в качестве легирующих элементов циркония и алюминия при нанесении износостойких ионно-плазменных покрытий на основе нитрида титана методом КИБ является достаточно известным приемом [1 – 3, 5]. Использование же кремния наоборот практически не распространено. Также необходимо учесть, что алюминий и кремний являются дешевыми и широкоприменяемыми материалами по сравнению с цирконием. Из данных таблицы 1 видно, что для достижения оптимального повышения износостойкости режущего инструмента с покрытием на основе нитрида титана необходимо использовать в качестве легирующего элемента 15,63 % алюминия или 17,55 % циркония, в то время как кремния всего требуется  1,25 %.

В работе [5] отмечено, что сложные нитриды TiZrN и TiAlN образуют растворы замещения, кремний же, имея ограниченную растворимость, способен образовывать в нитриде титана многофазные системы. Поэтому в данном случае будет действовать несколько механизмов упрочнения, как твердорастворное упрочнение, так и упрочнение дисперсными фазами.

На втором этапе исследовали влияние двух легирующих элементов на  структурные параметры, физико-механические свойства покрытий и работоспособность режущего инструмента с ними. Исследование проводили на системе TiZrMe₂N, где в качестве второго легирующего элемента Me₂ использовали алюминий и кремний. Из результатов исследований видно (таблица 1), что введение второго легирующего элемента приводит к еще большему изменению структурных параметров и дополнительному повышению физико-механических свойств. Так микротвердость H_μ покрытий TiZrAlN и TiZrSiN увеличилась в 1,16…1,21 раза по сравнению с покрытием TiZrN и в 1,52…1,59 раза по сравнению с покрытием из нитрида титана. Введение в состав покрытий второго легирующего элемента приводит к повышению остаточных сжимающих напряжений σ в 1,13…1,39 раза, модуля упругости первого рода Е и предела текучести σ_т в среднем на 13 % и 15 % соответственно по сравнению с базовым покрытием TiZrN. Изменение структурных параметров и физико-механических свойств приводит также к увеличению вязкости разрушения покрытий на 10...12 %. Лучшие физико-механические свойства покрытий состава TiZrMe₂N  по сравнению с покрытиями TiZrN и TiN способствуют повышению работоспособности режущего инструмента. Введение в состав покрытия TiZrN алюминия приводит к снижению интенсивности износа режущего инструмента в 1,58 раза (по сравнению с применением базового покрытия TiN интенсивность износа уменьшается в 2,64 раза). Применение в качестве второго легирующего элемента кремния дает еще  больший эффект. Нанесение покрытия TiZrSiN приводит к снижению интенсивности износа в 1,82 раза по сравнению с использованием покрытия TiZrN и в 3,04 раза по сравнению с применением покрытия TiN.

Из сравнения влияния легирующих элементов на физико-механические свойства покрытий и износостойкость режущего инструмента с ними видно, что кремний является наиболее перспективным материалом для использования в качестве химического элемента нитридных покрытий. Сам по себе нитрид кремния является твердым, износо- и теплостойким материалом, обладающим высокой трещиностойкостью. В то же время следует отметить, что применение кремния напрямую в качестве осаждаемого материала в установках, использующих метод КИБ, невозможно вследствие его полупроводниковых свойств. Поэтому для осаждения покрытий TiSiN, TiZrSiN и др. в установках ионно-плазменного нанесения покрытий необходимо использовать интерметаллидные (сплавные) катоды из титана и кремния [6]. Получение таких катодов связано с большими трудностями, так как для сплавления титана и кремния необходимо применение высокотемпературных печей (температура процесса плавки 1700…1900 ºС) с применением инертной атмосферы или вакуума. Решение данной проблемы по использованию кремния в качестве материала катодов позволит разработать новые технологии и составы одно- и многослойных износостойких ионно-плазменных покрытий.

Литература

1. Табаков В.П., Чихранов А.В. Износостойкие покрытия режущего инструмента, работающего в условиях непрерывного резания. – Ульяновск: УлГТУ, 2007. – 255 с.

2. Верещака А.С., Кушнер В.С. Резание материалов. – М.: Высшая школа, 2009. – 535 с.

3. Табаков В.П., Чихранов А.В. Применение многоэлементных нитридных покрытий для повышения работоспособности режущего инструмента / СТИН. – 2009. – №7. – С.17 – 23.

4. Табаков В.П., Чихранов А.В. Определение механических характеристик износостойких ионно-плазменных покрытий на основе нитрида титана / Известия Самарского научного центра РАН. – 2010. - том 12. –  № 4. – С. 292 – 297.

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

6. Табаков В.П., Циркин А.В., Чихранов А.В. Катод электродугового испарителя. Патент на полезную модель RU № 51618 U1, МКИ⁷ С 23 С 14/32 – Опубл. 27.02.2006, Бюл. № 6.

 

Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ МК-4295.2011.8