Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов повышения режущих свойств инструмента нанесением функциональных покрытий. Цель и задачи исследований 9
1.1. Анализ методов формирования покрытий на рабочих поверхностях режущего инструмента и тенденций их совершенствования 9
1.1.1. Анализ особенностей методов ХОП (CVD) 10
1.1.2. Анализ процессов физического осаждения покрытий (ФОП-PVD) и тенденций их совершенствования 17
1.2 Анализ тенденции совершенствования функциональных покрытий для режущего инструмента 23
1.2.1. Концепции покрытий многоцелевого назначения 23
1.2.2. Особенности получения наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий 25
1.3. Повышение режущих свойств инструмента на основе направленного изменения состава, структуры, архитектуры и свойств покрытий 35
1.4. Обобщение результатов анализа. Цель и задачи исследований 42
Глава 2. Разработка методологии, рабочих гипотез и методики проведения исследований 45
2.1. Разработка концепции функциональных покрытий для режущего инструмента, рабочие гипотезы исследований 45
2.1.1. Систематизация требований к износостойким покрытиям для режущего инструмента 47
2.1.2. Разработка концепции многослойно - композиционных покрытий 51
2.1.3. Методика выбора состава и свойств материала слоев ИК 53
2.1.4. Формулирование рабочих гипотез исследования 59
2.2. Методика проведения экспериментальных исследований 61
2.2.1. Методика формирования износостойких комплексов 61
2.3. Контроль параметров износостойкого комплекса 74
2.3.1. Методика контроля толщины ИК 75
2.3.2. Методика оценки адгезия между износостойким комплексом и субстратом 76
2.3.3. Методика исследования микротвердости 77
2.3.4. Методика исследования вязкости разрушения 81
2.4. Методика проведения исследований режущих свойств твердосплавного инструмента с ИК 82
2.4.1. Обрабатываемые материалы, оборудование, инструмент 83
2.4.2. Методика оценки режущих свойств твердосплавного инструмента с ИК 85
2.4.3. Методика статистической обработки результатов экспериментальных исследований 88
Глава 3. Разработка и исследование износостойких комплексов для твердосплавного инструмента при различных условиях обработки 93
3.1. Выбор архитектуры и составов износостойких комплексов 93
3.1.1. Архитектура ИК. 94
3.1.2. Обоснование выбора структуры и свойства ИК 95
3.1.3. Условия формирования износостойких комплексов 100
3.2. Исследование влияния параметров ФВДО на основные характеристики износостойкости ИК 106
3.2.1. Исследование состава, структуры, морфологии и свойств ИК 106
3.2.2. Результаты исследований 108
3.2.3. Исследование основных параметров композиционных комплексов (на примере соединения (Tij.xAlJN) 112
3.3. Исследование влияния параметров процесса осаждения на основные параметры ИК 118
3.3.1. Исследования морфологии поверхности ИК 118
3.3.2. Исследование влияния параметров осаждения на толщину ИК 121
3.3.3. Исследование влияния параметров синтеза на микротвердость и трещиностойкость ИК 124
3.3.4. Влияние параметров синтеза на адгезию системы «ИК субстрат» 129
3.4. Разработка математической модели процесса ФВДО 131
Глава 4. Исследование параметров функционирования и трибологии процесса резания твердосплавным инструментом с разработанными износостойкими комплексами 142
4.1. Методика осаждения ИК и наноструктурированных износостойких слоев 142
4.2. Методика исследований режущих свойств 147
4.3. Методика исследования трибологических характристик 148
4.3.1. Составы износостойких комплексов 148
4.3.2. Методика исследований 149
4.4. Влияние параметров процесса синтеза ИК на износостойкость твердого сплава 157
4.5. Исследование функциональных и трибологических параметров системы резания твердосплавным инструментом с ИК 163
4.5.1. Методика исследований 164
4.5.2. Исследование функциональных параметров резания и трибологичеких характеристик инструмента с разработанными ИК 166
4.5.3. Исследование режущих свойств и трибологических параметров инструмента с разработанными ИК 179
4.5.4. Анализ результатов исследований износостойкости и триботехнических характеристик твердосплавного инструмента с разработанными ИК 187
Выводы по главе 190
Глава 5. Аттестационные исследования различных типов инструмента с разработанными ИК, получаемыми при использовании вакуумно-дугового процесса ФВДО 193
5.1. Лабораторные и промышленные исследования режущих свойств СМП из твердых сплавов с разработанными ИК при точении различных материалов 193
5.1.1.Промышленные испытания инструмента с разработанными ИК 193
5.1.2 Лабораторные исследования инструментов с разрабо танными износостойкими комплексами 203
5.2. Разработка процесса и технологии ассистируеще фильтруемого вакуумно-дугового осаждения 211
5.2.1. Особенности процесса ассистируеще-вакуумного вакуумно-дугового осаждения 211
5.2.2. Обоснование и разработка процессов ассистирующе фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (АФВДО) 213
5.2.3. Исследования режущих свойств 222
5.2.4. Анализ результатов исследований 224
Основные результаты работы и выводы 228
Список литературы 232
Приложения 242
- Анализ тенденции совершенствования функциональных покрытий для режущего инструмента
- Методика проведения экспериментальных исследований
- Исследование влияния параметров ФВДО на основные характеристики износостойкости ИК
- Методика исследований режущих свойств
Введение к работе
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 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.
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.
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, 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.
Анализ тенденции совершенствования функциональных покрытий для режущего инструмента
В последние годы проводится большой объем исследований по разработке инновационных типов покрытий, которые по составу, структуре, архитектуре и свойствам способны выполнять многоцелевые задачи по повышению эксплуатационных характеристик различных изделий. Все большее применение получают многослойно-композиционные наноструктурированные покрытия, которые, обеспечивают существенное повышение основных эксплуатационных характеристик инструмента [6,8,13,27]. Структура и толщина покрытий и их слоев. Анализ основных типов многослойных покрытий, используемых в машиностроении, позволяет классифицировать покрытия по толщине отдельных слоев: макрометрические с толщиной (10" ... 10 ) мм; микрометрические с толщиной (10"4 8... 10"6 8) мм; нанометрические с толщиной (10" ...10 ) мм. При этом все типы покрытий, имеющие структуру с размерами зерен менее 100 нм, называют наноструктурированными [32]. При использовании физических методов получения покрытий (ФОП-PVD) наноструктурированные многослойные покрытия со слоями наноразмерной толщины синтезируют при использовании различных технологических средств: путем бомбардировки осаждаемого конденсата (импульсной или постоянной) металлическими или газовыми ионами, имеющими различные энергии, причем с повышением энергий ионов от 1,0 - 10 до 100 - 200 КэВ существенно увеличивается вероятность формирования наноразмерных структур покрытий; методом «смешивания» осаждаемого конденсата воздействием высокоэнергетических ионов; имплантацией в осаждаемый конденсат элементов внедрения (ионов металла или газа), сдерживающих рост зерен при температурах синтеза покрытия; понижением температуры синтеза покрытий путем повышения степени ионизации конденсируемого ионного потока, что позволяет сдержать рост размеров зерен. Наноструктурированные покрытия могут различаться архитектурой и обычно классифицируются на три основные группы (рис. 1.7): многослойные покрытия со слоями нанометрической толщины (не превышающую 100 нм), состоящие из материалов с одинаковой структурой и химическими связями; многослойные покрытия со слоями нанометрической толщины, каждый из которых имеет строго функциональное назначение и состоит из материалов с сильным отличием химических связей и структуры; многослойное покрытие со слоями, имеющими специальную архитектуру с применением внутренних граничных промежуточных подслоев нанометрической толщины между слоями покрытия. Наноструктурированные многослойные покрытия, состоящие из слоев с одинаковым характером химических связей. Многослойные покрытия, имеющие слои с одинаковым характером химических связей, наиболее широко применяются для нанесения на режущие и штамповые инструменты и различные детали. Чаще всего в подобных покрытиях комбинируют слои из нитридов, карбидов, карбонитридов и боридов переходных тугоплавких металлов IV — VI групп Периодической таблицы и алюминия - TiN, TiC, Ti(CN), TiB2, A1N и др. [1-7,9-11,15-16,26-38].
Исследования показали [1,8,10,11,28], что свойства и параметры покрытия заметно зависят от количества слоев, определяющих общий объем внутренних граничных поверхностей в покрытии. Можно считать доказанным, что оптимальные свойства и наиболее благоприятные параметры покрытий достигаются при определенном (оптимальном) количестве слоев [1,8]. Оптимальное количества слоев зависит от многих параметров, главными из которых являются особенности операции обработки (непрерывное, прерывистое или нестационарное резание), для которой предназначен инструмент с покрытием, особенности комбинации материалов слоев покрытия. При этом не все свойства многослойного покрытия могут удовлетворять условиям обработки при одном и том же количестве слоев. В работе [8] установлено, что при толщине покрытия порядка 5 мкм число отдельных слоев многослойно-композиционного покрытия можно ограничить диапазоном в 100 - 200 слоев. Внутри этого диапазона параметры и свойства покрытий для заданных условий обработки будут оптимальными. В ряде работ [1, 39-41] важнейшей задачей при разработке покрытий для изделий, работающих при высоких и знакопеременных температурных нагрузках (например для фрезерного инструмента), считают повышение их трибологических и прочностных свойств, вязкости, сопротивления разрушению, особенно при воздействии термических нагрузок циклического характера. Кроме того, как указано в работах [39-40], необходимо обеспечение максимально благоприятного соотношения таких важнейших характеристик покрытия, как «твердость/вязкость». Для покрытий из соединений тугоплавких металлов с высокой твердостью и достаточно большой хрупкостью, одни и те же механизмы могут привести как к повышению вязкости и прочности, (например, у хрупких керамических материалов с плотной упаковкой), так и ее снижению (гексагональная сингония). С помощью многослойных покрытий с наноразмерной толщиной каждого из его слоев можно активизировать различные виды процессов поглощения энергии, что при оптимальных архитектуре и структуре покрытия приводит к повышению вязкости и прочности материала покрытия при незначительном снижении твердости (обеспечение сбалансированного соотношения «твердость/вязкость») [40]. Наноструктурированные многослойные покрытия со слоями, имеющими различные химические связи и структуры. Многослойные архитектуры покрытий наиболее удобны для комбинирования слоев различного состава, свойств и функционального назначения. Примерами подобных покрытий являются комбинирование слоев TiC/TiN [8,13] со слоями из сверхтвердых материалов (СТМ) типа В4С или алмазоподобного углерода (DLC) [8]. СТМ благодаря ковалентному характеру химических связей не обеспечивают достаточную прочность сцепления с металлическими субстратами и соответственно имеют низкую критическую нагрузку разрушения адгезионной связи с субстратом. Наноструктурированная многослойная архитектура покрытия позволяет осуществить формирование покрытий на основе указанных слоев с критическими нагрузками разрушения (на основе методики «скрайбирования - царапания») даже превосходящими аналогичный параметр для стандартных типов покрытий с металлическим типом связей. Например, комбинирование слоев TiN(B) с твердостью 4800 HV0 05, имеющих металлический тип связи, и аморфных слоев В4С твердостью 5000 HV0 05, имеющих ковалентные связи, в 100 слойном покрытии общей толщины около 5 мкм при толщине каждого слоя около 50 нм позволило создать покрытие твердостью свыше 4000 HV005 и критической нагрузкой разрушения до 110 Н, в то время как критическая нагрузка для TiN(B) и В4С соответственно составила 70 Н и 32 Н [8]. Для высокоскоростного сухого резания (для компенсации смазочного эффекта СОТС) используют наноструктурированные многослойные структуры, комбинирующие слои TiC с металлическими связями и твердые смазочные слои на основе углерода или MoS2. На рис. 1.8 в качестве примера показана архитектура 100-слойного покрытия, состоящая из TiC и мягкого углерода, а также TiC и алмазоподобного углерода (DLC). Подобные покрытия обладают оптимальными трибологическими свойствами (таблице 1.2). Исследования, проведенные X. Холлеком и его сотрудниками. [10,32-34] показали, что осаждение промежуточных слоев толщиной 2 нм из ковалентных твердых соединений типа A1N, BN, В4С и SiC на граничные поверхности многослойных покрытий TiC/TiN сильно изменяет структуру, свойства и параметры режущего инструмента с покрытием. Можно идентифицировать два предельных случая формирования структуры граничного слоя. В первом случае промежуточные слои A1N, BN толщиной 2 нм смешиваются на граничной поверхности со слоями TiC и TiN. Во втором случае - В4С и SiC той же
Методика проведения экспериментальных исследований
В настоящем разделе изложены обобщенные методики проведения исследований, которые используются во всей работе. Специальные методики будут изложены в главах и разделах, в которых непосредственно будут представлены результаты исследований.
Для получения ИК использовали вакуумно-дуговой процесс синтеза, обеспечивающий существенные преимущества перед другими процессами физического осаждения покрытий [1-4, 6, 9, 19-21, 28, 31 - 32, 51,75-78].
Процессы вакуумно-дугового осаждения покрытий и технологиисинтеза покрытий на их основе, получившие наименование «процессы КИБ» или MeWA (КИБ - конденсация с ионной бомбардировкой, или MeWA -Metal Vapor Vacuum Arc) широко используются ведущими производителями различных типов режущего инструмента из быстрорежущей стали, твердого сплава и режущей керамики.
Как было показано выше (см. главу 1) по сравнению с другими процессами физического осаждения покрытий (ФОП) процессы КИБ-MeWA характеризуется высокой степенью ионизации паро-ионного потока (до 95-98%), что позволяет ускорять ионный поток до высоких энергий за счет подачи на инструмент отрицательного потенциала (напряжение смещения). Высокоэнергетические ионы (энергии 1-10 кэВ) используют для очистки поверхности субстрата перед нанесением покрытия, термической активации поверхности, а также для управления параметрами ионного потока (скорость, плотность), что позволяет осаждать покрытие с высокой скоростью и обеспечивать высокую прочность его адгезии с субстратом. Установки, реализующие процессы КИБ-MeWA, чаще всего используют несколько одновременно работающих дуговых испарителей, иногда с различными материалами катода, что позволяет эффективно формировать композиционные покрытия, а также варьировать свойства покрытия в широких пределах.
Возможности управления в широком диапазоне температурами при осаждении покрытий (200-850С), а также формирования практически любых типов покрытий делают процессы КИБ-MeWA чрезвычайно конкурентоспособными и весьма перспективными для широкого промышленного применения.
В работе для формирования покрытий на рабочих поверхностяхрежущего инструмента использовали процессы КИБ-MeWA,включающие следующие этапы: вакуумирование рабочего пространства камеры с инструментом донеобходимых рабочих давлений, при которых таюке производится удаление остаточных поверхностных загрязнений путем тонкой ионной очистки рабочих поверхностей инструмента; ионную очистку поверхности субстрата при энергиях положительно заряженных ионов, приводящих к распылению поверхности; термоактивирование поверхности субстрата посредством электронной и (или) ионной бомбардировки; ассистирование (плазмой) химико-термическое воздействие на поверхность субстрата (ионное азотирование для инструментов из быстрорежущей стали); осаждение отдельных функциональных слоев покрытия ИК с ассистированием или без ассистирования высокоэнергетическими ионами паро-ионного потока, конденсирующего на поверхность субстрата или предыдущего субслоя; выдержка инструмента с нанесенным покрытием для плавного охлаждения в камере установки под рабочим вакуумом (для предотвращения оксидации и избежания термических напряжений).
Все этапы осуществляются непосредственно в вакуумной камере. Энергия ионов при вакуумно-дуговой очистке (испарении) и термоактивировании поверхности субстрата достигает 1-10 кэВ, а при процессе ассистируемого высогоэнергетическими ионами осаждения - до 10 - 200 кэВ. Для последнего процесса характерно взаимодействие бомбардирующих высокоэнергетических ионов с поверхностными структурами субстрата и компонентами осаждаемого конденсата, сопровождаемое их непрерывным перемешиванием. Как отмечено в главе 1, для процессов КИБ-MeWA главной проблемой, имеющей негативные последствия для формирования качественных покрытий, является образование микро - и макро частиц (капель), особенно при испарении материалов с низкой температурой плавления. Появление капель размеромграницах раздела «покрытие-субстрат» оказывают резко отрицательное влияние на работоспособности инструмента. Это связано с резким увеличением склонности покрытия к адгезии с обрабатываемым материалом и интенсивности его частичного или полного разрушения. Микрокапли на границах раздела «покрытие-субстрат» являются опасным дефектом, так как резко увеличивается вероятность полного разрушения и отслаивания покрытия от субстрата в процессе эксплуатации инструмента.
Для фильтрации паро-ионного потока от нейтральных частиц и микро -и макро частиц испаряемого материала катода использовали тороидальные электромагнитные поля [6,20,77,78]. При этом способе заряженные частицы (ионы материала катода и электроны) отклоняются магнитным полем, в то время как нейтральные частицы и частицы материала катода осаждаются на специальной ребристой стенке корпуса испарителя. Используемые процессы и технологии на их основе получили наименование ФВДО (фильтруемые вакуумно-дуговое осаждение). Применение процессов ФВДО позволяет снизить объёмное количество микро — и макрочастиц до 10% ,и таким образом, существенно повысить качество инструмента с покрытием.
Другая проблема процессов КИБ-MeWA связана с образованием паразитных микродуговых разрядов, заметно ухудшающих качество покрытий. Для устранения этого недостатка использовали импульсные источники напряжения смещения, позволяющие подавать на субстрат напряжение в импульсном режиме. Изменение амплитуды и частоты подаваемого на субстрат импульсного напряжения смещения позволяет: во-первых, избежать проявлений «эффекта микродуг», и тем самым сильно уменьшить вероятность электроэрозионного растравливания
Исследование влияния параметров ФВДО на основные характеристики износостойкости ИК
Экспериментальные исследования различных свойств сменных многогранных пластин (СМП) из твердого сплава с ИК в зависимости от параметров синтеза, согласно плану экспериментов, представленных в таблице 3.4. включали: исследования химического состава (атомная и весовая концентрация элементов); исследования морфологии и структуры; исследования толщины, твердости, адгезионной прочности по отношению к субстрату; исследование параметров резания и процесса изнашивания твердосплавных пластин с ИК.
Указанные характеристики твердосплавных СМП с ИК для оснащения различных типов режущих инструментов определяют эксплуатационные характеристики инструмента, и, в частности, износостойкость и работоспособность (время наработка на отказ), особенно в случае преимущественно абразивного и адгезионного механизмов изнашивания.
Методика. Атомную структуру слоев ИК, как в исходном состоянии, так и формируемую в процессе резания, исследовали с помощью EELFS и электронного спектрометра ESCALAB МК 2 (VG). Поверхность трения исследовали в зонах, свободных от налипов обрабатываемого материала. Использовали кратность увеличения до х2000. Первичная электронная энергия составляла Ер = 1000 эВ. Тонкую структуру потери спектральной энергии регистрировали близкой к линии эластично рассеивающихся электронов в диапазоне 250 эВ. Условия для анализа выбрали таким образом, чтобы обеспечить наилучшее разрешение по энергии с хорошим соотношением интенсивности сигнала.
Состав покрытий и соотношение элементов, входящих в состав сложно-композиционных слоев ИК определяли с помощью рентгенографического микрозондирования на электронно-сканирующем микроскопе. При этом анализировали инициированное электронным лучом рентгеновское излучение материала покрытия, чтобы по интенсивности излучения установить содержание отдельных элементов в образце.
Строение и структура осажденных слоев ИК исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). При этом исследуемая поверхность или область поперечного сечения сканировали электронным пучком для эмиссии вторичных электронов из поверхности образца.
Количественное определение состава и соотношения элементов (атомного и объемного) при различных значениях параметров технологического процесса осаждения композиционных покрытий осуществляли посредством микрозондового рентгенографического анализа (EDS).
При проведении исследований химического состава ИК и морфологии их поверхности, полученных при различных значениях параметров процесса ФВДО, использовали также микроанализатор «КАМЕКА-Микробин» фирмы «Камебакс» (Франция) и электронно-сканирующий микроскоп COM SCAN, оснащенный детектором LZ-5 с дисперсией по энергии и компьютером AN-10000 для обработки результатов оценки химического состава слоев ИК, осаждаемых на СМП различных твердых сплавов. Основные исследование состава и морфологии поверхности производили на примере износостойкого (поверхностного) слоя Tij.xAlxN трехслойного ИК на основе архитектуры TiiN- Ti].xAlxN, осажденного на образец из сплава Т14К8 с использованием электронно-сканирующего микроскопа JSM-6700F с приставкой для энерго-дисперсионной спектрометрии (ЭДС) JED-2300F фирмы JEOL. Выбор в качестве основного объекта исследований композиции на основе Tij.xAlxN был обусловлен его широким применением для нанесения на режущие инструмента, а также возможностями изменения важнейших кристаллохимических и физико-механических свойств при варьировании соотношением Ti/Al (Al/Ti) или легирования тугоплавкими переходными металлами IV-VI групп Периодической таблицы (Zr, V, Nb, Сг и др.), а также кремнием (Si). Основные положения методики исследований применительно к композиции TiiN- Tij.xAlxN были использованы для получения и других составов ИК на основе систем Zr-ZrN-(Zr,Cr)N, Zr-(Zr,Cr)N-CrN и др.(см. табл.3.2) для нанесения на различные инструменты, применяемые для широкой гаммы технологических операций резания различных обрабатываемых материалов. Химический состав. Пример рентгеноспектрограммы полученной с поверхности ИК на основе системы TiiNiAl необходимой для расшифровки химического состава ИК показан на рис.3.3, результаты исследований представлены в таблицах 3.3, 3.4. Представленные результаты свидетельствуют о значительном влиянии параметров процесса ФВДО на соотношение элементов Ti/Al в ИК (см. табл.3.3., 3.4) а, следовательно, и его свойства. В составе адгезионного подслоя 3 ИК обнаружено некоторое количество вольфрама и кобальта, диффундирующих из твердого сплава, что свидетельствуют о формировании диффузионной переходной зоны между ИК и твердым сплавом при температурах синтеза ИК (650-700 С) и предопределяет повышение прочности адгезии системы «субстрат - ИМ». Анализ полученных результатов позволяют сделать следующие выводы. Параметры синтеза ИК оказывают сильное влияние на соотношение Ti/Al при использовании процессов ФВДО (установка ВИТ-2). В частности, для образцов СМП из Т14К8 с ИК, полученном при значениях параметров процесса, указанных в табл. 3.4 (номера образцов твердого сплава №№ 43 73), отмечено сильное изменение атомной концентрации элементов Ті и А1 в износостойком слое 1 ИК при варьировании величинами параметров синтеза при неизменных составах катодов (см. табл 3.4). Особенно сильное влияние на соотношение Ti/Al оказывает ток дуги при испарении титана. В частности, увеличение параметра ІТІ от 45 до 130 А приводит к увеличению атомной концентрации Ті в слое TiAIN (слой 1) ИК от 44,32% до 76,91% при одновременном снижении атомной концентрации алюминия от 52,34% до 21,96%. Полученный результат позволяет прогнозировать изменение различных свойств системы «/ЙГ-субстрат» в целом.
Методика исследований режущих свойств
Исследования режущих свойств сменных многогранных твердосплавных пластин (СМП) из различных марок твердых сплавов с ИК проводили при продольном точение и симметричном торцовом фрезеровании различных обрабатываемых материалов, свойства которых представлены в таблицу 4.3.
Методика проведения исследований режущих свойств твердосплавного инструмента с ИК и статистической оценки результатов экспериментальных исследований подробно представлена в главе 2 (раздел 2.3). В качестве критерия износа СМП с ИК использовали значение фаски износа задней поверхности инструмента hf= 0,3-0,5 мм. Условия проведения исследований при точении и фрезеровании показаны в таблицах 4.4 и 4.5. соответственно.
Исследования при фрезеровании проводили однозубой фрезой (для исключения влияния таких параметров, как биение зубьев, равномерность и т. д.) при использовании торцовых фрез 2214-0417 ГОСТ 26595-85 0І25 мм и 0І6О мм, которые наиболее широко применяются в производстве ФГУП «Салют». Использовали схему симметричного фрезерования.
Для проведения трибологических исследований выбраны следующие композиции, имитирующие износостойкий слой ИК и достаточно широко используемые для нанесения на режущие инструменты. К таким композициям отнесены: (Ti,Al)N, (Ti,Cr)N, (Zr,Cr)N (см. таблицу 4.1).
Оценка трибологических характеристик ИК при использовании твердосплавных образцов (в виде двусторонних сферических цилиндров)моделирует контактные процессы при резании (напряжения, температуры и т.д.) и, таким образом, позволяет с высокой достоверностью прогнозировать износостойкость и работоспособность режущего инструмента с ИК.
Важным преимуществом износостойких композиций типа (TiyAl)N, (Ti,Cr)N, (Zr,Cr)N является их склонность к образованию в процессе окисления относительно устойчивых антифрикционных поверхностных оксидных пленок.
Как показано в работе [40], касательное усилие при скольжении поверхностей зависит не только от прочности на срез адгезионных связей, но и от деформационной составляющей трения (рис.4.1).
Контактирующие поверхности металлических тел имеют значительную шероховатость (особенно в процессе изнашивания), кроме того, обе контактирующие поверхности, имея поликристаллическое строение, являются неоднородными по физико-механическим свойствам.
Поэтому есть основание полагать, что деформационная составляющая касательного контактного усилия при трении имеет существенное значение. Однако определение её значения в процессе трения представляет известную сложность [40,101] (особенно при повышенной температуре контакта), которая практически не позволяет выделить её из суммарных касательных усилий с целью получения адгезионной составляющей. Указанное делает практически невозможным определение прочности адгезионных связей непосредственно при лезвийной обработки резанием.
Наиболее перспективной методикой оценки показателей адгезионного взаимодействия между твёрдыми телами следует считать моделирование реальных условий трения на специальных установках.
В качестве оценочных триботехнических характеристик адгезионного взаимодействия пары трения «твердый сплав с ИК - обрабатываемый материал» при различных температурах контакта по рекомендациям работы [40] использовали следующие параметры: тпп - сдвиговую (тангенциальную) прочность адгезионных связей при пластическом контаткте; ргп - предельное нормальное давление; отношение тпп /ргп.
Для оценки триботехнических параметров (тпПургп тП1/ргп) использовали экспериментальную методику. Основой этой методики является физическая модель (рис.4.2), которая в первом приближении отражает реальные условия трения и изнашивания на участке локального контакта [40]. Согласно этой модели, сферический индентор 2 из инструментального материала (имитирующий единичную неровность пятна касания трущихся твёрдых тел), сдавленный двумя плоско-параллельными образцами 1 из контактирующих поверхностей) вращается под нагрузкой N вокруг собственной оси. Сила FDKC, расходуемая на вращение индентора и приложенная к тросику 3, уложенному в паз диска 4, связана главным образом со сдвиговой прочностью т„„ адгезионных связей.
Прочность тп адгезионных связей на срез определяется из соотношения : где F3KC - окружная сила на диске, вращающая индентор; Яэкс — радиус диска, в котором закрепляется индентор; готп — радиус отпечатка (лунки) на образцах.
Из-за малых размеров отпечатка предполагается, что нормальные напряжения, действующие на поверхность сферы, постоянны и равны в области всего отпечатка. Они рассчитываются как
Адгезионная (молекулярная) составляющая коэффициента трения равна:Особое внимание следует обращать на шероховатость, чистоту и точность поверхностей контактирующих тел. Нагрузка iV подбирается таким образом, чтобы в зоне касания средние напряжения на контакте равнялись твёрдости материала плоских образцов по Бринеллю. При этом, как показано в работах [40,100,101] , при относительном внедренииобеспечивается плоский пластический контакт и некоторое «растекание» поверхностей, приводящее к разрыву инородных покрытий (оксидных и сорбированных плёнок) и выходу в контакт чистых (ювенильных) металлических поверхностей.
