Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Обзор литературы по теме и выбор направлений исследований 13
1.1. Рассеивание прочности и невоспроизводимость механических свойств покрытия 14
1.2. Влияние технологических факторов на механические свойства покрытий 16
1.3. Разупрочнение основного материала при нанесении покрытий 19
1.4. Тенденции развития технологического оборудования. Разработка АСУ ТП 21
1.5. Оптимизация технологических процессов нанесения УЗП . 24
1.6. Выводы по разделу 1 и постановка задач исследований 29
РАЗДЕЛ 2. Изложение общих методик, основных методов и объектов исследований 35
2.1. Особенности вакуум-плазменного оборудования, параметры, влияющие на механические характеристики и свойства покрытий 35
2.2. Методика нанесения сплошных и дискретных покрытий на конструкционные и инструментальные материалы 44
2.3. Объекты исследований, материалы и составы структур 62
2.3.1. Инструментальная керамика 62
2.3.2. Оборудование и методика для исследования материалов ВТ 1-0 и 12Х18Н10Т с покрытиями на характеристики сопротивления кратковременному статическому нагружению 77
2.3.3. Оборудование и методика исследования выносливости тонколистового материала ВТ 1-0 с покрытиями в условиях высокочастотного многоциклового нагружения 81
2.4. Основные технологические параметры, влияющие на характеристики и свойства покрытий 91
2.5. Выводы по разделу 2 99
РАЗДЕЛ 3. Проведение экспериментальных исследований материалов с покрытиями и их влияние на механические и эксплуатационные свойства 100
3.1. Статические характеристики прочности и деформативности материалов с покрытиями 100
3.1.1. Исследование остаточных напряжений в покрытиях и пути их снижения 104
3.1.2. Влияние покрытий на характеристики кратковременной статической прочности 111
3.2. Выводы по разделу 3 124
РАЗДЕЛ 4. Влияние покрытий на механические и эксплуатационные свойства керамики 125
4.1. Твердость нитридной керамики 125
4.2. Износостойкость нитридной керамики с покрытиями 127
4.3. Проведение эксплуатационных испытаний режущих керамических пластин с покрытиями 133
4.4. Выводы по разделу 4 157
РАЗДЕЛ 5. Циклическая долговечность материалов с покрытиями 158
5.1. Повышение циклической долговечности в условиях нанесения многокомпонентных структур 158
5.2. Результаты усталостных испытаний материала с покрытием 162
5.3. Выводы по разделу 5 174
Выводы 175
Список использованных источников 178
Приложение 203
- Тенденции развития технологического оборудования. Разработка АСУ ТП
- Оборудование и методика для исследования материалов ВТ 1-0 и 12Х18Н10Т с покрытиями на характеристики сопротивления кратковременному статическому нагружению
- Влияние покрытий на характеристики кратковременной статической прочности
- Проведение эксплуатационных испытаний режущих керамических пластин с покрытиями
Введение к работе
Ведущие отрасли промышленности на Украине - горнорудная, металлургическая, машиностроительная, аграрная, химическая,
строительная. Традиционно все эти отрасли отличались повышенной металлоемкостью, неуклонно растущими объемами потребления металла. Поэтому выдвигается на первый уровень приоритетов повышение прочности и долговечности конструкционных металлов и сплавов, а также поддержание на необходимом уровне инструментального производства.
Обе группы проблем могут решаться применением высоколегированных сталей и сплавов. Для их производства необходимы такие стратегические материалы как Ni, Cr, V, Mo, W, Со. Всех этих элементов Украина не имеет, а вынуждена покупать за рубежом (особенно в РФ). Из собственных сырьевых ресурсов Украина для этих целей имеет железо, марганец, алюминий, титан; немного хрома, циркония, гафния.
Особенно затруднения вызваны дефицитом меди. Это создает на Украине трудности с производством бронз и латуней.
Поэтому в ближайшем будущем сложится критическая ситуация с обеспечением Украины нержавеющими и высокопрочными сталями, легированными инструментальными и быстрорежущими сталями. Сегодня цены подняты фантастически (Российский концерн "Норильск-никель" диктует мировые цены на Ni и Со), особенно на вольфрамсодержащие твердые сплавы и быстрорежущие стали.
Поэтому выйти из кризиса Украина может путем использования конструкционных сталей и сплавов собственного производства с упрочняющими защитными покрытиями (УЗП), ликвидировав таким образом необходимость поставок из ближнего и дальнего зарубежья.
Важнейшей тенденцией научно-технического развития является постоянное увеличение в структуре народного хозяйства доли машиностроения. По существу для Украины машиностроение является
отраслью, которая олицетворяет научно-технический прогресс. Общий кризис экономики Украины в значительной мере обусловлен также технико-технологическим отставанием машиностроения.
Кризис экономики вызван ускоренным старением основных фондов, техники и технологии. Более 48% основных фондов машиностроения изношены физически.
На Украине явно не соответствует современным требованиям технический уровень и качество многих видов машин. Если "малые драконы" (Южная Корея, Гонконг, Тайвань, Сингапур) имеют до 60% экспорта машиностроения, то Украина только 14%. Поэтому в экспорте Украины превалирует сырье, материалы, полуфабрикаты. Следует отметить и низкий уровень загруженности парка технологического оборудования.
Характерной особенностью современного этапа развития машиностроения на Западе является постоянное техническое обновление, исключительная мобильность к внедрению различных инноваций и других научно-технических достижений. В машиностроении Украины, наоборот, нет восприятия научно-технических факторов.
Без современных технологий нанесения упрочняющих защитных покрытий экономика суверенной Украины, особенно машиностроение, никогда не выйдет из создавшегося кризиса, острого дефицита металла, запасных частей, электроэнергии, топлива.
Сегодня в промышленной и исследовательской практике поверхностного упрочнения и УЗП насчитывается свыше 130 технологий. Большинство из них - альтернативны. В настоящей работе исследуется вакуум-плазменная технология как разновидность наиболее развивающейся технологии PVD. Именно эта технология наиболее наукоемка, отличается гибкостью и возможностью производства микро- и мультислойных покрытий, а также функциональных градиентных материалов. Достигнуты определенные успехи и в производстве нанокомпозитов.
Вакуум-плазменная технология является детищем Украины. Сегодня она широко распространена в мировой практике. Наибольшие "успехи" вакуум-плазменной технологии достигнуты в инструментальном производстве. Следует подчеркнуть исключительную экологическую чистоту этой технологии.
Для внедрения вакуум-плазменной технологии нанесения покрытий в отечественном машиностроении имеется высокая технологическая готовность. На предприятиях установлено достаточно оборудования (но не полностью загружено) для вакуум-плазменного нанесения покрытий -установки типа "Булат", "Пуск", "Мир" и др. Для нанесения дискретных покрытий повышенной стойкости требуется несущественная модернизация этих серийных установок.
Технические решения по дискретным покрытиям, превышающие современные зарубежные разработки, позволяют отказаться от импорта лицензий на упрочнение режущего инструмента.
В последнее время успешно развиваются разделы механики, которые позволяют разрабатывать основы управления технологическими процессами по характеристикам прочности. Я.С.Подстригачу принадлежит введение такого термина, как "Технологическая механика".
Поэтому одна из задач "технологической механики" заключается в определении роли и эффективности режимов нанесения с целью возможного их регулирования и выбора таких условий нанесения, чтобы обеспечить максимально возможные уровни прочности и долговечности изделий с покрытиями.
Актуальность темы. В современном машиностроении независимой Украины нанесение упрочняющих защитных покрытий является одним из наиболее наукоемких и быстро окупаемых путей решения проблемы ресурсосбережения и уменьшения материалоемкости в результате сокращения количества используемого инструмента, запасных частей, машин и экономии остродефицитных материалов. В условиях неуклонного
повышения рабочих температур, скоростей и удельных нагрузок покрытия позволяют эффективно повысить прочность и долговечность изделий и осуществить замену высоколегированных сплавов более простыми по составу конструкционными и инструментальными марками сталей, а также заменить вольфрамсодержащий дорогостоящий металлорежущий инструмент на керамические материалы, в том числе с покрытиями.
Надежность защиты и упрочнения изделий при эксплуатации и рационального применения различных типов покрытий и методик их нанесения в значительной степени определяется механическими свойствами слоев.
В связи с этим исследования влияния покрытий и условий их нанесения на основные характеристики и свойства материалов являются актуальной научной задачей.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа выполнена в отделе упрочнения элементов конструкций Института проблем прочности НАН Украины в рамках научных тем:
• Разработка методического комплекса для аттестации и оптимизации термомеханических свойств сверхтвердых упрочняющих покрытий, шифр темы 1.3.4.22, выполняемой по решению ученого совета от 07.02.91 г.;
• Разработка расчетно-экспериментального лабораторного комплекса для оптимизации покрытий деталей горячего тракта авиадвигателей по параметрам прочности, шифр темы 1.3.4.117, выполняемой по Постановлению Бюро отделения механики НАН Украины от 18.01.95 г. № 1 и от 7.12.95 г. №6.
В данных научных исследованиях автор принимал участие в качестве разработчика методик нанесения вакуум-плазменных покрытий и оптимизировал их по параметрам прочности и долговечности.
Цель и задачи исследования.
Повышение статической и циклической прочности, а также износостойкости конструкционных материалов за счет изменения остаточных технологических напряжений, действующих в поверхностных слоях, формируемых методами вакуум-плазменной обработки (ВПО).
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
- предложить для работы в условиях с разупрочняющими факторами физико-механической природы расчет геометрических параметров наносимого вакуум-плазменного слоя, с учетом остаточных напряжений в системе «основа-покрытие», отличающегося от традиционных сплошных покрытий фрагментированной (дискретной) структурой;
- исследовать влияние остаточных напряжений в поверхностном слое материала, полученных ВПО (вакуум-плазменная обработка), на характеристики сопротивления кратковременному статическому нагружению. Установить влияние величины остаточных напряжений в системе «основа-покрытие» на механические характеристики конструкционного материала;
- повысить циклическую долговечность конструкционного материала путем оптимизации многослойно-многокомпонентного вакуум-плазменного покрытия;
- обосновать возможность и решить проблему повышения долговечности хрупких керамических инструментальных материалов. Установить закономерности изменения характеристик долговечности, твердости и износостойкости керамики на основе нитрида кремния со сплошными и дискретными износостойкими нитридными покрытиями.
Объекты исследования. В данной работе объектами исследований являлись образцы материалов Х18Н10Т, титановый сплав ВТ1-0 и нитридная режущая керамика, на которых были организованы тонкие вакуум-плазменные покрытия.
Методы исследования. Для получения характеристик прочности и деформативности материалов с покрытиями использовался метод исследования на характеристики кратковременной статической прочности.
В работе также применялась методика испытания на сопротивление усталости (j-i материалов с покрытиями в условиях высокочастотного ( 10 кГц) циклического изгиба.
Исследование износостойкости керамических материалов с покрытиями производилось путем непрерывного точения высоколегированных сталей, а также характеристики износостойкости были получены на серийной машине трения.
Для определения остаточных напряжений использовался экспериментально-расчетный метод по измерению стрелы прогиба прямоугольного образца толщиной 0,3...0,5 мм.
Изучение поверхностей исследуемых материалов проводилось методом растровой электронной микроскопии на установке "Camebax SX 50".
Анализ изучаемых поверхностей и приповерхностных слоев проводился методом Оже-спектроскопии. Элементарный анализ поверхностей путем регистрации спектров Оже-электронов проводили на Оже-микрозонде JAMPS-10S.
Научная новизна полученных результатов.
Впервые предложен новый подход расчета геометрических параметров наносимого слоя покрытия, обеспечивающего заданный уровень остаточных напряжений в системе «основа-покрытие», учитывающего сплошность или дискретность слоя, а также его термоупругие характеристики.
Впервые построены зависимости, отражающие влияние остаточных технологических напряжений, действующих в поверхностных слоях, формируемых методами вакуум-плазменной обработки, на изменение характеристик статической прочности конструкционных материалов.
Впервые установлены и изучены экспериментальные зависимости влияния многослойно-многокомпонентного вакуум-плазменного покрытия на циклическую прочность материалов.
Впервые обоснована возможность и решена проблема повышения долговечности хрупких инструментальных керамических материалов, установлены закономерности изменения характеристик долговечности, твердости и износостойкости керамики на основе нитрида кремния со сплошными и дискретными износостойкими нитридными покрытиями. Оригинальность решения подтверждена патентом Украины № 9960341 от 28.02.2000 г.
Практическое значение полученных результатов.
Обоснованные на основе разработанной в настоящей работе модели конструкции, нанесенные на сталь Х18Н10Т вакуум-плазменные покрытия, обеспечили повышение нормативных значений ее предела текучести на 31 % и предела прочности на 10%, а предела выносливости титанового сплава ВТ1-0на17%.
Долговечность и износостойкость режущих элементов, подвергшихся ВПО, из инструментальной керамики на основе нитрида кремния со сплошным покрытием повышается на 70%, а с дискретным на 120%, определена из оптимальных условий их организации. Достоверность полученных результатов подтверждена опытно-промышленными испытаниями упрочненных инструментов, проведенных на базе ОАО завод им. Г.И.Петровского, ОАО Карат-Комплекс с суммарным годовым экономическим эффектом 74,7 тыс. грн. (Приложение А, Б).
Кроме этого, разработанный керамический режущий инструмент позволил существенно интенсифицировать процесс механической обработки, в частности, увеличить скорости резания в 2,5 раза, а подачи в 1,7 раза.
Модернизирована промышленная вакуум-плазменная установка типа ННВ-6,6-И1, позволяющая в отличие от серийных установок этого типа
производить формирование сплошных, дискретных покрытий, а также покрытий на неметаллические основы.
Выпущена опытная партия упрочненных керамических режущих пластин повышенной износостойкости.
Основные результаты экспериментальных исследований, изложенные в диссертационной работе, использованы в Киевском институте Военно-воздушных сил (Акт реализации научных исследований от 04.05.2000 г. (Приложение В)).
Личный вклад автора. Автор по литературным данным произвел анализ влияния остаточных напряжений на служебные характеристики материалов, работающих при различных видах нагружения. Проанализировал существующие методики исследования остаточных напряжений в поверхностных слоях материалов и разработал свою методику применительно к ВПО поверхности. Предложен новый подход расчета геометрических параметров наносимого слоя покрытия, обеспечивающего заданный уровень остаточных напряжений в системе «основа-покрытие», учитывающего сплошность или дискретность слоя, а также его термоупругие характеристики.
Разработал элементы оборудования для ВПО поверхности изделий. Установил оптимальные параметры и режимы ВПО поверхности, способствующие повышению служебных свойств изделий. Разработал экспериментально-расчетный метод определения параметров дискретных покрытий с учетом остаточных напряжений. Получил подавляющее большинство экспериментальных результатов, провел их анализ и сформулировал соответствующие выводы.
Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались на II Международной конференции по трибофатике (Москва, 1996); 5-ой Международной конференции "Пленки и покрытия" (Санкт-Петербург, 1998); Международной конференции "Оценка и обоснование продления
ресурса элементов и конструкций" (Киев, 2000); объединенном семинаре ИППНАНУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научных работы, один патент Украины.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников из 239 наименований. Она изложена на 208 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков и 13 таблиц.
Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность сотруднику отдела 17 Капишон Л.С. за постоянную помощь и поддержку при выполнении работы.
Особая признательность выражается научному руководителю д.т.н. профессору Б.А.Ляшенко, чьи советы и постоянное внимание способствовали успеху в выполнении настоящей работы.
Тенденции развития технологического оборудования. Разработка АСУ ТП
Одним из наиболее эффективных путей воспроизводимости технологии и свойств УЗП - автоматическое ведение процесса с применением средств вычислительной техники. В этом заключается одна из тенденций развития технологий и оборудования УЗП.
Особенно свойственна эта тенденция вакуумным технологиям, как наиболее наукоемким. Дальнейшим шагом в совершенствовании PVD-процессов является их полная автоматизация [31, 32].
Весь рабочий цикл в PVD-установках нового поколения - "загрузка-очистка-подготовка поверхности детали-осаждение-выгрузка" - происходит автоматически. Контроль за ходом ТП осуществляется с помощью сенсорных элементов, выдающих информацию о протекании каждой технологической операции. Благодаря этому возможен автоматический выбор требуемых параметров ТП, заблаговременное выявление и устранение недостатков в работе системы, а в случае необходимости и экстренное отключение установки. Вспомогательный персонал выполняет лишь операции загрузки деталей и техническое обслуживание установки.
Тщательный контроль параметров PVD-процесса позволяет регулировать структурные и химические характеристики поверхности раздела и всего покрытия, тем самым увеличивая функциональную долговечность покрытия [23]. Достаточное внимание уделяется контролю скорости испарения мишени и толщины покрытия при разработке АСУ ТП [33].
Создан ряд многопостовых автоматизированных установок для различных видов вакуумной ХТО, CVD и PVD [34-39]. Технологические датчики контролируют параметры ТП с интервалами, не превышающими нескольких миллисекунд. Управление процессом осуществляет микрокомпьютер [40-43], встроенный в специализированный технологический компьютер [44]. Наиболее гибкая технология многоцелевого назначения электронно-лучевого нанесения микро- и мультислойного покрытий использует современную измерительную и управляющую технику на базе ЭВМ [45-51]. Главной целью при этом остается улучшение воспризводимости свойств, т.е. повышение их стабильности качества.
При разработке микропроцессорного автоматического регулирования ХТО применяют элементы искусственного интеллекта [52]. Это позволяет реализовать методы обработки с точностью задания температуры до 2 и состава среды до 4%. Интеллектуальность системы обеспечивается ее самонастройкой на заданные температурный режим и состав реакционной среды.
Применение микропроцессорных средств в качестве цифровых регуляторов позволяет перейти к децентрализованным АСУ. А это, в свою очередь, дает возможность снизить требования к быстродействию отдельных вычислителей, рассредоточить и упростить программное обеспечение, повысить надежность и, тем самым, устранить недостаток, присущий системам с одной управляющей ЭВМ. Цифровые регуляторы дают возможность проводить программируемую проверку номинальных режимов, автоматический переход к обработке различных управляемых и регулируемых переменных, выбор требуемых управляющих алгоритмов и реализацию адаптивных законов. В современных распределенных АСУ ТП находят широкое применение микропроцессорные программируемые контроллеры, которые могут быть территориально рассредоточены по технологической установке и приближены к исполнительным устройствам и датчикам. Контроллеры выполняют функции автоматического регулирования, логико-программного управления, предварительной обработки информации, поступающей с датчиков технологических параметров. В них используются различные типы технологических языков, которые построены на понятиях, свойственных данному классу технологических задач, и поэтому доступны пользователю, не имеющему специальной подготовки в области вычислительной техники [53].
Основные успехи в развитии АСУ ТП получены в вакуумных процессах. Сложнее задача с АСУ газотермическим напылением. Уровень использования средств автоматизации здесь ниже. Разработана измерительно-информационная система, которая может быть использована совместно с любой установкой ГТН. Система выполняет следующие функции: измерение технологических параметров (ток и напряжение на дуге плазмотрона, расход Ar, N2, охлаждающей плазмотрон воды, температура охлаждающей воды на входе и выходе, расход порошка или проволоки); представление параметров в цифровой форме; сравнение текущих значений технологических параметров с заданными; запоминание тех параметров, отклонение значений которых превысило допустимую величину; определение продолжительности такого отклонение и его максимальную величину; оперативное оповещение об отклонении; печатание паспорта условий напыления [54]. С помощью ЭВМ в газотермическом напылении используют современные способы контроля и регулирования подачи напыляемых порошковых материалов, управления процессом формирования покрытий из различных материалов [4].
АСУ ТП успешно применяются в линиях горячего и электролитического цинкования стального листа с целью стабилизации качества готового продукта, сокращения количества обслуживающего персонала, повышения производительности линий [55].
Использование банков данных и экспертных систем в АСУ ТП позволяет осуществлять полный контроль за ходом процесса и достичь абсолютной воспроизводимости результатов [56]. Наличие компьютера дает возможность оперативного внесения изменений в базу данных экспертной системы. Постоянное обновление памяти системы гарантирует соответствие характеристик осаждаемых покрытий современным требованиям к основным свойствам покрытий.
Оборудование и методика для исследования материалов ВТ 1-0 и 12Х18Н10Т с покрытиями на характеристики сопротивления кратковременному статическому нагружению
Одним из перспективных инструментальных материалов [144] является режущая керамика [145], в частности, на основе нитрида кремния. Материал обладает высокой твердостью, более высокими значениями трещиностойкости по сравнению с другими керамическими материалами и относительно высокой химической стабильностью, сохраняющейся в широком диапазоне температур и нагрузок [144, 146]. Лезвийный инструмент из керамики Si3N4 работает в сложных условиях механических ударных нагрузок, тепловых и химических воздействий. Разрушение инструментов возможно по механизмам диффузионного, адгезионного, абразивного и электромеханического износа, поэтому в условиях высокоскоростной обработки сталей нитридная керамика подвергается заметному износу.
Одним из путей повышения работоспособности керамического инструмента на основе нитрида кремния и расширение его области применения является нанесение износостойких покрытий на его рабочие поверхности. В настоящее время широкое распространение получили износостойкие покрытия на основе тугоплавких соединений IV-VI групп Периодической системы элементов.
В частности, в мировой практике используются керамические режущие пластины с покрытиями. Например, фирма Tecvac Ltd (Великобритания) разработала процесс получения покрытия из CrN методом PVD. Эффективность покрытия достаточно высока и оно рекомендуется для инструмента при обработке латуней [147]. Фирма Balzers разработала методику нанесения физическим осаждением из газовой фазы в вакууме износостойкого покрытия Balinit-D на основе нитрида хрома [148]. Одна из крупнейших фирм "Sandvik Coromaut" создала керамику марки GC1690, имеющую покрытие SisN4 [149]. Трехслойным покрытием (TiNiCiN) оснащены режущие пластины Widadur ТМ450 (фирма "Krapp Widia" [150, 151].
Такое широкое использование инструмента с покрытиями обусловлено его высокой работоспособностью, например, благодаря нанесению покрытия стойкость последнего повышается в среднем в 2-3 раза. В некоторых случаях имеется возможность значительно интенсифицировать процесс резания при неизменном ресурсе стойкости инструмента. В связи с вышеизложенным ставятся следующие задачи по: анализу и выбору наиболее эффективной схемы нанесения покрытий; изучению влияния подготовки поверхности перед нанесением покрытия, выполненной при разных режимах, на химический и фазовый состав, а также на физико-механические свойства поверхности нитридной керамики; проведение оценки стойкости покрытий при модельных трибологических испытаниях (исследованиях). Как известно, состояние поверхности перед нанесением покрытия определяет качество конденсированного слоя и многие функциональные характеристики покрытия, в частности адгезионную прочность. Поэтому, как отмечалось, подготовка поверхности ионным травлением (бомбардировкой) является основной операцией, предшествующей получению покрытия. Кроме того, ионная обработка режущих керамических материалов модифицирует поверхностный слой, что влияет на качественные и количественные показатели работоспособности режущего инструмента. Так, предварительно, механически шлифованные керамические пластины были подвергнуты ионной бомбардировке по двум следующим режимам. Первый режим - бомбардировка поверхности ионами хрома в течение 5 минут с последующей бомбардировкой ионами титана в течение 10 мин. Второй режим - двойная ионная бомбардировка (двойное увеличение временных интервалов) по вышеприведенной схеме. В качестве исходного образца использовался микрошлиф поверхности, которая не повергалась ионной бомбардировке и имела химический состав: Si3N4+2Mac%MgO+2Mac%Al2O3+30Mac%TiN. При этом необходимо отметить, что введение 30мас% TiN в состав исследуемых пластин служит для создания "начальной" электропроводности керамического материала, которая в процессе осаждения покрытия снизится до величины, достаточной для протекания ионного тока осаждения (таблица 2.2).
И в первом, и во втором случае температура подложки практически не изменялась и была равна 550С. Изучение поверхностей керамики проводилось методом растровой электронной микроскопии на установке "Camebax Sx50". Исследование показало, что на поверхности исходного образца нитрида титана, содержащийся в основе материала керамики "Силинит-Р" находится в виде бесформенных выступающих фрагментов размером от 1,7 до 10 мкм (рис.2.15а). Наличие этих островков связано с технологией изготовления микрошлифа. После проведения ионной обработки (первый режим) наблюдается уменьшение их количества, причем при этом происходит округление островков (рис.2.156). После двойного ионного травления их количество заметно уменьшается (рис.2.15в). Таким образом, усиление режима ионной бомбардировки приводит к вытравливанию нитрида титана с поверхности нитридной керамики. По аналогичному принципу происходит очистка поверхности от загрязнений.
Анализ изучаемых поверхностей и приповерхностных слоев проводился методом Оже-спектроскопии (испытания проводили вместе с к.т.н. С.Н.Фоменко). Элементарный анализ поверхностей путем регистрации спектров Оже-электронов проводили на Оже-микрозонде JAMP-10S. Анализ приповерхностных слоев осуществляли после десятиминутного локального травления поверхности электронами аргона (диаметр пучка - 2 мкм, скорость распыления - 50-70 А/мин).
Влияние покрытий на характеристики кратковременной статической прочности
Применение тонкопленочных покрытий, особенно для высоконапряженных деталей, полученных на основе вакуум-плазменных (PVD) технологий, все более возрастает. Большое значение приобретают вопросы прочности PVD-покрытий. Выход из строя покрытий может осуществляться в результате их отслаивания от основы (нарушение адгезионной прочности) или разрушения самого покрытия (когезионное растрескивание). Отслоение покрытия от основы или разрушение покрытия может наступить под действием остаточных напряжений еще до начала эксплуатации детали с покрытием [172, 173].
Таким образом, особенностью композиций металл-покрытие является наличие остаточных напряжений. При этом по Давиденкову Н.Н. [174] остаточные напряжения различают трех родов. В основе классификации лежит объем, в котором напряжения уравновешиваются. Напряжения I рода, возникающие в процессе изготовления детали, уравновешиваются в объеме всего тела или в объеме макрочастей. Напряжения II рода формируются вследствие фазовой деформации отдельных кристаллитов, зерен и уравновешиваются в объеме последних. Напряжения III рода уравновешиваются в микрообъемах кристаллической решетки. Причина их появления - упругие смещения атомов кристаллической решетки. В покрытиях обычно возникают напряжения всех родов. Уровень, знак и характер распределения остаточных напряжений определяют конструктивную прочность изделий, влияют на химические, механические и электрофизические свойства покрытий [172]. В некоторых случаях этот фактор удается использовать для повышения прочности композиций [172], например, в эмалевых путем формирования в защитном слое напряжений сжатия [175].
С повышением величины остаточных напряжений в покрытии увеличивается уровень предельных напряжений в металлической основе до предела текучести [176].
Установлено [177], что величина и знак остаточных напряжений в плазменных и детонационных покрытиях существенно влияют на значение предела упругости. Если знак напряжений от внешней нагрузки совпадает со знаком остаточных напряжений, то величина условного предела упругости будет иметь меньшее значение, чем в случае, когда напряжения имеют разные знаки.
Предварительное заневоливание материала подложки в процессе нанесения газотермических покрытий, приводящее к созданию в композиции металл-покрытие остаточных напряжений требуемой величины и знака, позволяет существенно повысить ее сопротивление микропластическим деформациям при статическом нагружении [178].
Таким образом, управление остаточными напряжениями может являться значительным резервом повышения прочности композиций металл-покрытие.
В литературе активную роль покрытий рассматривают, как особое воздействие, которое играют поверхностные слои материалов при деформировании [179, 180]. Отмечают [181] более легкое образование и движение дислокаций в приповерхностных слоях твердого тела. Вначале пластическое течение протекает в поверхностных слоях кристаллов толщиной в размер зерна, а затем распространяется на внутренние объемы [181]. Аномальное пластическое течение на первой стадии приводит к образованию градиента плотности дислокаций вблизи поверхности. Это препятствует эффективной работе объемных источников и приводит к барьерному эффекту поверхности [182]. Кроме того, указывается [183], что при деформировании поверхностные зерна находятся в более выгодных условиях для сдвигообразования.
Впервые в работе [184] было показано, что окисные пленки толщиной около 20 атомных слоев увеличивают практическое напряжение сдвига монокристалла кадмия. В последующем на различных парах кристалл-пленка (покрытие) был подтвержден эффект упрочнения, а также обнаружено влияние тонких поверхностных пленок на механические свойства металлов и сплавов [185]. Однако нет однозначности в вопросе о вкладе толщины покрытий в эффект упрочнения. При этом эффект упрочнения объясняют дислокационными моделями.
Пленка препятствует выходу дислокаций либо тормозит генерирование дислокаций на поверхности при деформировании, либо объясняет оба механизма [186].
Наряду с механизмом торможения движения дислокаций и кристаллографических полос скольжения указывают на изменения напряженного состояния и перераспределения дислокаций в поверхностных слоях металла, связанные с диффузионными процессами, протекающими при нанесении покрытий.
Показано в работе [187], что увеличение остаточных напряжений приводит к снижению прочности сцепления. Там же предложена зависимость прочности сцепления от толщины покрытия и остаточных напряжений и сформулировано условие самоотслоения, представляющее собой критерий, куда входят критическая толщина покрытия, величины прочности сцепления и остаточных напряжений, а также упругие характеристики основы и покрытия.
При эксплуатации действующие в покрытии напряжения являются алгебраической суммой эксплуатационных и остаточных напряжений. Ясно, что остаточные напряжения растяжения в покрытии очень опасны. Наряду с этим можно предположить , что при отсутствии самоотслоения наличие значительных остаточных напряжений сжатия в покрытии является положительным. Сжимающие остаточные напряжения уменьшат влияние приложенного напряжения растяжения. Предполагается, что остаточные напряжения сжатия в покрытии являются одной из причин увеличения характеристик циклической прочности [188], а также предела текучести и предела прочности при статическом нагружении [189] для материалов с вакуум-плазменным покрытием нитрид титана (aiN), которое имеет стехиометрический состав. Из вышеизложенного следует, что наличие информации о величине и знаке остаточных напряжений позволяет принять решение о целесообразности снижения этих напряжений. Таким образом, можно повысить прочность и надежность как самих покрытий, так и деталей с покрытиями на стадии их конструирования.
Проведение эксплуатационных испытаний режущих керамических пластин с покрытиями
С другой стороны, применение в качестве подслоя (Cr, Ti)N для нитридотитанового покрытия приводит к практически полной неэффективности покрытия. Можно предположить, что такое двухслойное покрытие обладает высоким и несбалансированным полем напряжений, а также неудачным сочетанием толщин слоев, так как с увеличением толщины покрытия напряженное состояние на границе раздела основа-покрытие увеличивается. Поэтому даже минимальные «рабочие» нагрузки приводят к быстрому его разрушению.
Наиболее высокую стойкость к истиранию показали однослойные композиционные покрытия систем (Cr, Ti)N и (А1, Cr)N. Их время работы в 2,5 раза выше, чем однослойных нитридотитановых покрытий.
Данный метод оценки стойкости покрытий является модельным, дающим возможность проследить только динамику изменения стойкости покрытий, начиная от однослойных нитридотитановых и заканчивая композиционными покрытиями. Можно предположить, что такая динамика будет прослеживаться и в условиях резания металлов. Однако такие факторы, как высокие силы резания и температуры в рабочей зона инструмента, стружкообразование, диффузионное взаимодействие обрабатываемого материала и инструментальной основы, имеющие место в реальных условиях резания, полностью отсутствуют при данных условиях трения.
Поэтому в дальнейшем, помимо трибологических испытаний, износостойкость покрытий на керамической основе оценивалась также путем резания различных металлов и сплавов. Износостойкость керамических резцов с покрытиями изучалась в реальных условиях [212]. Испытания проводились путем продольного точения заготовок различных металлов и сплавов на токарно-винторезном станке 1К62. Были выбраны два типа обрабатываемого материала: закаленные инструментальные стали ШХ15 и ХВГ, при обработке которых важным условием является защита инструмента от износа, и вязкий литейный сплав "силумин" марки ФЛ25, при обработке которого происходит налипание обрабатываемого материала на рабочие поверхности инструмента. Следует отметить, что традиционно высокотвердые инструментальные стали (HRC 58-62) обрабатываются методом шлифования, при котором имеет место шаржирование поверхности частицами абразива. Кроме того, шлифование, как правило, сопровождается, особенно при больших глубинах и скоростях резания, возникновением значительных остаточных напряжений растяжения, что объясняется наличием высоких температур в поверхностном слое материала в процессе резания и ползучестью материала в связи с этим. Остаточные напряжения растяжения, возникающие после шлифования, составляют 150...300 МПа. Известны случаи, когда эти напряжения имеют и более высокие значения [213]. Одним из недостатков шлифования является также снижение вязкости разрушения Кіс ДР 2 раз и более [214, 215]. Применение точения таких сталей существенно улучшает условия обработки и качество обрабатываемых поверхностей за счет ликвидации прижогов и трещин, возникающих вследствие интенсивного тепловыделения при шлифовании, поэтому общая тенденция механической обработки высокотвердых материалов заключается в замене традиционного шлифования на чистовое точение. Критерием износа являлось время до образования ленты износа (h3, мм) по главной задней грани резца, максимальное допустимое значение которой было принято равным 0,4 мм. При выборе исходных режимов обработки сталей ШХ15 и ХВГ исходили из практических рекомендаций по их обработке с использованием керамических пластин типа "Силинит-Р" [4]: Испытывались резцы со сплошными покрытиями из нитрида титана различной толщины (2; 8 и 10 мкм) и резец с дискретным нитридтитановым покрытием толщиной 8 мкм. В качестве эталонного рассматривался резец без покрытия. В ходе испытаний было установлено, что сплошное защитное покрытие обеспечивает увеличение износостойкости режущего инструмента в 1,7 раза, а дискретное - в 2,2 раза по сравнению с инструментом без покрытия (рис.4.2). При этом особый интерес представляет резец с дискретным покрытием, износ которого незначительно увеличивается при длительном времени точения. Так, например, для непокрытого резца увеличение износа на 0,1 мм достигается за 20 мин непрерывного точения, в то время как для инструмента с дискретным покрытием - за 85 минут.
Для сплошных покрытий наблюдается неоднозначная картина износа. Наиболее стойким является резец с толщиной покрытия 2 мкм. Увеличение износа в этом случае было поступательным. Резцы с покрытиями толщиной 8 и 10 мкм оказались менее стойкими к истиранию, причем первый обладает самым высоким значением износа из группы резцов со сплошными покрытиями.
В период приработки инструмента со сплошным покрытием уменьшаются нормальные и касательные напряжения по контактной площадке, эффективно снижается мощность теплового источника. Таким образом, термомеханические условия работы инструмента с покрытием становятся более благоприятными, что и предопределяет его лучшую сопротивляемость износу [216]. Однако относительно хрупкое покрытие плохо сопротивляется высоким удельным давлениям, что приводит к разрушению покрытия на контактных площадках инструмента. Частично разрушенное покрытие продолжает сдерживать развитие фронта разрушения по контактным площадкам. Так, при точении стали ШХ15 пластиной без покрытия ее площадь зоны износа приблизительно в два раза больше площади износа керамической пластины с покрытием. В дальнейшем по мере роста очагов износа все больше нивелируется разница между инструментом с покрытием и без покрытия.
