Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 10
1.1 Основные механизмы износа твердосплавного инструмента при точении
1.2 Роль химического (адгезионного) взаимодействия материалов инструмента и обрабатываемой детали в процессе износа инструмента
1.3 Роль и особенности диффузионного взаимодействия материалов инструмента и обрабатываемой детали в процессе износа инструмента 15
1.4 Роль запаса пластичности обрабатываемого материала в процессе износа инструмента 16
1.5 Применение износостойких покрытий 17
1.6 Причины износа инструмента с покрытиями
1.7 зависимость работоспособности режущего инструмента от химического состава наносимых покрытий 21
1.8 Существующие расчетные методики для оценки свойств покрытий 25
1.9 Выводы по главе. Постановка задач исследования. 29
Глава 2 Особенности строения инструментальных и обрабатываемых материалов и основы теоретической методики оценки их свойств 32
2.1 Особенности строения и зависимость теплофизических свойств соединений переходных металлов от состояния электронной структуры 22
2.2 Химический состав, структура и свойства инструментальных твердых сплавов 34
2.3 Химический состав и кристаллическая структурл материалов износостойких покрытий
2.4 Химический состав и кристаллическая структура труднообрабатываемых материалов 38
2.5 Основной принцип, полагаемый в основу методики оценки интенсивности физических явлений при резании 40
2.6 Основные уравнения и приближения в расчетах электронной структуры вещества 42
2.7 Зонные и кластерные методы расчета электронной структуры твердого тела 44
2.8 Существующие методики расчетов по кластерному методу 46
2.9 Метод х„ - рассеянных волн 48
2.10 Метод хи- дискретного варьирования 51
2.11 Реализация алгоритмов расчета на эвм 56
2.12 Выводы по главе 59
Глава 3 Подготовка симметризованного атомного базиса расчетных кластеров 63
3.1 Основные принципы симметризации атомного базиса кластера 63
3.2 Вид атомных орбиталей при расчетах по кластерному методу дискретного варьирования 67
3.3 Симметризация атомного базиса кристаллическоі о кластера типа nacl симметрии c4v 70
3.4 Симметризация базиса гексагонального кристаллического кластера симметрии dm 79
3.5 Построение молекулярных орбит алей в симметризованном атомном базисе 88
3.6 Выводы по главе 89
Глава 4 Результаты комплексной теоретической оценки износостойкости металлорежущего инструмента с покрытиями 90
4.1 Расчеты адгезии
4.1.1 Оценка прочности адгезионного взаимодействия износостойких покрытий с инструментальной основой 93
4.1.2 Оценка прочности адгезионного взаимодействия износостойких покрытий с обрабатываемыми материалами 100
4.2 Расчетная оценка энергетического барьера для диффузионных процессов 109
4.3 Оценка сопротивления усталостному износу
4.4 Методика сравнения различных покрытий по работоспособности мб
4.4.1 Определение набора оценочных коэффициентов и формулы для сравнительной оценки износостойкости инструментов с покрытиями 116
4.4.2 Решение задачи обоснования (выбора) химического состава покрытий при обработке никеля и титана 119
4.5 Внедрение результатов исследования 124
4.6 Выводы по главе 125
Общие выводы и результаты работы
- Роль химического (адгезионного) взаимодействия материалов инструмента и обрабатываемой детали в процессе износа инструмента
- Химический состав и кристаллическая структурл материалов износостойких покрытий
- Вид атомных орбиталей при расчетах по кластерному методу дискретного варьирования
- Оценка прочности адгезионного взаимодействия износостойких покрытий с инструментальной основой
Введение к работе
Одной из основных задан инструментального производства является обеспечение показателей качества металлорежущего инструмента, определяющих его работоспособность. Одним из основных показателей работоспособности для режущего инструмента служит износостойкость его рабочих поверхностей. Основными факторами, вызывающими износ твердосплавного инструмента, являются адгезионное схватывание, диффузия и окисление. Все эти процессы протекают на микроуровне, сопровождаются изменением химического состава поверхности инструмента, перераспределением электронной структуры, образованием на рабочей поверхности инструмента химических соединений, значительно отличающихся по своим свойствам от инструментального материала.
Для повышения износостойкости лезвийного инструмента применяются специальные износостойкие покрытия. Структура и химический состав покрытия влияют на тепловые и механические свойства режущей части, кроме того, прочность адгезионного взаимодействия инструментальной основы с покрытием непосредственно зависит от химического состава контактирующих материалов- Силы трения в контакте, оказывающие значительное влияние на износ инструмента, во многом определяются прочностью адгезионной связи между поверхностью инструмента и обрабатываемым материалом.
Работы по исследованию зависимости работоспособности лезвийного инструмента от химического состава поверхностей, контактирующих в процессе резания, в основном носят экспериментальный характер. Недостатками экспериментальных исследований являются высокая трудоемкость и значительные материальные затраты на приобретение материалов. Для повышения эффективности экспериментальной работы необходимо иметь теоретические
оценки, сужающие область поиска и определяющие наиболее успешные направления подбора инструментального материала или варьирования химического состава износостойкого покрытия в зависимости от вида обрабатываемого материала и условий обработки.
Для исследования свойств материалов имеется достаточно мощный и гибкий аппарат, разработанный в области квантовой химии твердого тела. Применение его для решения специфических задач химии и физики резания мета-шов может принести значительный эффект.
Указанные обстоятельства позволяют сделать вывод, что в настоящее время задача разработки предварительной теоретической оценки металлорежущего инструмента с износостойкими покрытиями с целью подбора оптимального химического состава поверхности инструмента на основе применения методов квантовой химии твердого тела является актуальной. Работа выполнена в рамках НИР "Исследования физики контактных явлений и износа в условиях высоких температур, удельных давлений и скоростей относительного перемещения1' 53 тематического плана единого закаї-наряда Министерства образования РФ по фундаментальным исследованиям в области машиностроения.
Работа посвящена разработке метода обоснования химического состава контактных поверхностей режущих инструментов и покрытий на основе методов, применяемых в квантовой химии твердого тела для расчетов свойств материалов.
Работа выполнена на основе теории резания с привлечением методов квантовой химии, включающих в себя теорию химического строения, квантовую механику, теорию матриц, теорию линейных операторов, теорию симметрии, теории вероятностей.
В работе предложен сравнительный принцип оценки основных факторов, влияющих на износ металлорежущего инструмента основанный на срав-
нении энергетических состояний малых приповерхностных слоев инструментального и обрабатываемого материалов.
На основе предложенного принципа разработаны методы расчетной оценки:
энергии адгезионной связи покрытия с материалом инструментальной основы;
энергии схватывания материала покрытия с обрабатываемым материалом и оценки уровня тепловыделений, обусловленных процессом трения;
энергетического барьера для диффузионных процессов, происходящих по вакансиолпому механизму;
запаса пластичности инструментальных материалов и покрытий по величине энергии связи материала;
разработана методика комплексной оценки работоспособности металлорежущего инструмента при применении его для заданного обрабатываемого материала.
Для практического использования результатов работы разработана методика расчета, реализованная в виде программы на ЭВМ для расчетной оценки энергетических состояний малых приповерхностных слоев инструментального и обрабатываемого материалов с учетом влияния контактных температур. Данная разработка позволяет:
предварительно определять наиболее перспективные направления в варьировании химического состава поверхности инструмента для заданных условий обработки;
сократить объем экспериментальных работ;
произвести корректировку интерпретации результатов эксперимента: подвергнуть сомнению, либо подтвердить истинность статистических выводов, полученных на основе обработки результатов испытаний.
Результаты исследований внедрены на НПО «Сатурн».
Результаты работы докладывались и обсуждались па конференциях: X Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов» (Рыбинск, 2000); Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (Рыбинск, 2002); Международной научно-технической Интернет - конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» - «Технология - 2002» (Орелт 2002); XXVIII международном научно-техническом совещании по проблемам прочности двигателей (Москва, 2002); Российской научно-технической конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве» (Рыбинск, 2002).
Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 4 статьях и 7 тезисах.
Роль химического (адгезионного) взаимодействия материалов инструмента и обрабатываемой детали в процессе износа инструмента
Процесс разрушения поверхности инструмента как с нанесенным износостойким покрытием, так и без такового, имеет хрупкий характер [26,60]. Разрушение начинается с образования трещин, к чему более склонны твердые материалы со сниженными пластическими свойствами.
Обобщение экспериментальных данных [66] показало, что во многих случаях более высокую износостойкость одних материалов по сравнению с другими можно объяснить наличием большего запаса пластичности. Например, среди карбидных покрытий большей стойкостью обладают покрытия на основе металлов V группы периодической таблицы, меньшей - на основе металлов [V группы. При этом известно, что карбиды металлов V группы более пластичны и способны сопротивляться усталостному разрушению, чем карбиды металлов IV группы [66].
Отделение частиц износа с поверхности инструмента происходит при накоплении в поверхностном слое предельного уровня энергии скрытой де 17 формации, который соответствует предельной концентрации дефектом кристаллической структуры ([73], [26]). Очевидно, что более стойкими по отношению к усталостному изнашиванию будут тугоплавкие соединения с превалирующей металлической компонентой в структуре химической связи. Соединения со значительной долей направленных ковалентных связей более хрупкие и трешинообразование в них будет более интенсивными То есть, при прочих равных условиях, стойкость инструментов из материалов с преобладанием металлической связи выше, чем из материалов с преобладающей ко-валентным типом связи.
В связи с выше изложенным, расчеты стойкостных параметров инструмента не могут проводиться без учета способности инструментального материала сопротивляться усталостному изнашиванию.
Применение износостойких покрытий
Эффективность обработки металлов резанием напрямую зависит от те-плофизических и механических свойств рабочих поверхностей режущего инструмента- Повышение работоспособности инструмента может быть обеспечено за счет нанесения износостойких покрытий с целью создания оптимальных значений параметров, непосредственно влияющих на состояние рабочих поверхностей инструмента в ходе обработки. Под словом «покрытие» при этом понимается такое образование на поверхности инструментального материала, которое, существенно отличаясь по своим кристаллохимическим, физико-механическим и теплофизическим свойствам от соответствующих свойств инструментального материала, значительно улучшает свойства последнего [И].
Поверхностные свойства шклрумента с покрытием должны превосходить свойства материала основы. Состав покрытия выбирается таким образом, чтобы были выполнены следующие требования [11,12,60]: IS - способность сопротивляться разрушению и сохранять свои свойства в условиях высоких давлений и температур; - схожесть температурных зависимостей таких характеристик, как коэффициент линейного расширения, коэффициент Пуассона, модуля упругости и др. для покрытия и инструментального материала. Если изменение свойств матрицы и покрытия с ростом температуры происходит со значительным рассогласованием, то покрытие может разрушиться; - материал покрытия должен уменьшать склонность инструментального материала к схватыванию с материалом обрабатываемой детали, но в то же время, адгезионное соединение покрытия с материалом основы должно быть достаточно прочным; - при работе на высоких скоростях резания для снижения интенсивности диффузионного износа в основу химического состава покрытия необходимо включать элементы, обладающие пониженной диффузионной подвижностью; - свойства поверхности инструмента должны соответствовать специфическим особенностям того процесса обработки для которого служит данный инструмент. Так, например, при прерывистом резании, имеющем место при фрезеровании необходим достаточный уровень ударной вязкости, в то время как при чистовом точении ударная вязкость не является решающим фактором, определяющим работоспособность инструмента, и на первый план выходит его износостойкость и химическая пассивность по отношению к обрабатываемому материалу.
Экспериментальные исследования [12], [34] дали следующую информацию о структуре и свойствах основных применяемых на практике покрытий.
Покрытия на основе карбида титана являются самыми распространенными из покрытий, получаемых газотермическим методом (ГТ) на твердосплавных матрицах. Структура поверхностного слоя однозлементного по 19 крытия TiC представляет собой поликристалл с субмикронньши зернами с отсутствием посторонних включений. Между покрытием и твердосплавной матрицей имеется переходная зона толщиной 0,5-..6 мкм - хрупкое вещество C03W3C со сверхмелким зерном. Покрытие имеет множестно дефектов кристаллической структуры (геометрические искажения зертга, разнозерни-сгость, поры, малая протяженность контакта зерен между собой). Наиболее крупные поры находятся на іранице покрытия и твердосплавной матрицы.
Размер зерен карбида титана неодинаков по сечению. Исследования показали его увеличение в направлении от границы раздела «матрица - покрытие» к поверхности.
Химический состав и кристаллическая структурл материалов износостойких покрытий
Согласно ГОСТ 3882 - 74 в нашей стране выпускаются три группы твердых сплавов [65J: 1) сплавы WC - Со (в некоторых марках сплавов этой группы присутствуют добавки карбидов ванадия, ниобия, тантала); 2) сплавы WC —ТІС-Со; 3) сплавы WC - ТІС - ТаС - Со;
Микроструктура металлокерамических твердых сплавов представляет собой зерна одной или двух карбидных фаз, сцементированные связкой (твердым раствором на основе кобальта). Карбидными фазами могут быть монокарбид вольфрама WC, карбид титана ТІС, твердые растворы (Ті, W)C (Ті, W, Та)С (Ті, W, Kb)C, (Ті, Мо)С, (Ті, Mo,W)C [69]. При этом карбид ти -тана ТіС в чистом виде в структуре твердых сплавов встречается редко [65].
Кристаллическая решетка карбида вольфрама по своему типу - простая гексагональная с базисом (ОДО; 1/3, 2/3, 1/2), причем позиции (0,0,0) занимают атомы вольфрама, а позиции (1/3, 2/3, 1/2) - атомы углерода. Она представляет собой две взаимно проникающие простые гексагональные решетки: одна из атомов вольфрама, другая из атомов углерода. Периоды решетки: а = 2,906 А, с = 2,837А. Расстояния между «углеродными» и «вольфрамовыми» плоскостями в кристалле WC периодически различны: 0,839 А, и 1,687 А.
Иногда строение кристаллов WC обладает одной особенностью: они состоят из двух частей, причем позициям углерода в одной части соответствуют в другой части позиции вольфрама.
Кристаллическая решетка карбида титана ТІС имеет кубическую структуру типа NaCl с периодом а = 4,33 А. Ее можно представить как гране-центрированную кубическую решетку, узлы которой занимают атомы титана, а атомы углерода находятся в октаэдрических порах. Отношение ионных радиусов: гс/г-п - 0,47. В подрешетке углерода всегда имеются вакансии, причем относительная доля вакантных узлов может достигать 50% [69].
Карбиды тантала и ниобия ТаС и NbC имеют такую же г, ц. к. решетку, как и ТіС, с периодами aTilc 4,4555 А и амьс 4,4702 А. Отношения ионных радиусов: Ге/гта = 0,57, гс/г л, = 0,56.
Карбидной составляющей в структуре твердых сплавов могут являться сложные карбиды - твердые растворы (Ті, W)C, (Ті, W, Ta)C, (Ті, W, Nb)C, (Ті, Mo)C, (ТІ, Mo,W)C. Все они имеют кристаллическую решетку типа г. ц. к., в которой одна подрешетка занята атомами металлов, а другая - атомами углерода и содержит некоторое количество вакантных узлов. Экспериментально обнаружено интенсивное ближнее упорядочение металлических атомов в твердом растворе (Ті, W)C 1691.
Период решетки сложного карбида (Ti,W)C зависит от содержания титана, вольфрама, углерода и от наличия легирующих добавок карбида тантала и карбида ниобия и колеблется в диапазоне - 4,305 А ...4,338 А.
В качестве связки в твердых сплавах, применяемых при резании метаї-ЛОЙ, в основном используется кобальт. Кобальт существует в двух модификациях: а-кобальт (г. п. у, е = 2,5074 А, са = 4,0698 А) и р-кобальт (г. ц. к., а "=" 3,5412 А), Температура полиморфного превращения кобальта равна 4І7Х. В твердых сплавах кобальт имеет кубическую структуру кристаллической решетки, которая становится устойчивой вследствие растворения в кобальте карбидной фазы.
Форма зерен карбидной фазы различна. В твердых сплавах па кобальтовой основе монокристаллы WC имеют форму треугольных призм. Зерна сложных карбидов (Ті, W)C в сплавах системы ТІС - WC - Со и (Ті, W, Та)С в сплавах ТЇС - WC - ТаС - Со имеют округлую форму после спекания в водороде и полиэдрическую - после спекания в вакууме.
По своему составу покрытия делятся на одноэлементные, многоэлементные, многокомпонентные и композиционные. Одноэлементные покрытия создаются па основе соединения одного тугоплавкого металла: TiC, TiN и др. Основой многоэлсментных покрытий являются два и более тугоплавких металла: (Ті - Cr)N, (Mo - Ti)N и т.д.
Многокомпонентные покрытия состоят из двух и более соединений одного металла (TiCN, ПС - TiCN - TiN). Композиционные покрытия представляют собой смесь двух или более соединений (TiC - А13Оч - TIN).
По строению покрытия делятся на однослойные, имеющие постоянный состав и структуру свойств по объему, и многослойные.
Тип связи «покрытие - инструментальный материал» может иметь адгезионный, диффузионный и адгезионно-диффузионный характер. Признаком адгезионного типа связи является отсутствие переходной зоны между покрытием и инструментальным материалом. Диффузионный тин связи характеризуется формированием переходной зоны с толщиной, соизмеримой толщине покрытия. При адгезионно-диффузионном типе связи переходная зона имеет толщину меньше толщины покрытия.
По типу кристаллической решетки покрытия делятся,в основном, на две группы [12]: материалы покрытий TiC, TiN, ZrC, ZrN, HfC, HfN и др. имеют кристаллическую решетку типа NaCI, материалы покрытий МоС, MoN, TaN - гексагональную кристаллическую решетку, В авиадвигателестроении в основном используются жаропрочные и титановые сплавы, лезвийная обработка которых затруднена. Под жаропрочными статями и сплавами понимают стали и сплавы, обладающие повышенными механическими свойствами при высоких температурах [17].
Аустенитные жаропрочные стали имеют своей основой ірапеценгриро-ванную кубическую решетку железа с растворенным в пей углеродом и легирующими элементами. Все аустенитные жаропрочные стали содержат большое количество хрома и никеля, а также добавки других злементов (Nb, W, Ті и др.)-Состав некоторых аустенитных сталей приведен в таблице 2,2.
Вид атомных орбиталей при расчетах по кластерному методу дискретного варьирования
При преобразовании системы координат кластера или молекулы, соответствующем одному из элементов группы симметрии, волновая функция \/, центрированная на определенном атоме, перейдет в некоторую другую функцию \/2. После того, как будут произведены все преобразования данной группы симметрии, из функции \\i\ образуется набор функций \\/-i9 где і = L..g (g - число элементов группы симметрии, порядок группы). Некоторые из функций Yi могут оказаться линейно зависимыми, так что в результате получается некоторое число f (і g) линейно независимых функций \/ь Ч \[0з ... уь которые при преобразованиях симметрии, входящих в рассматриваемую группу преобразуются линейно друг через друга.
Таким образом, в результате некоторого преобразования G каждая из функций у, переходит в линейную комбинацию вида; Gw,=j Gkly,k, (3.1) = 1 где G. оператор, действующий на функцию \/j в соответствии с видом преобразования G; Сы — постоянные, зависящие от преобразования G, составляющие матрицу преобразований.
Совокупность матриц всех элементов группы называется представлением группы. Функции \\tt с помощью которых определены эти матрицы, называются базисом представления. Число f этих функций определяет размерность представления. Сумма диагональных элементов матрицы, представляющей некоторый элемент группы, называется ее характером.
Если представление размерности f можно разбить на наборы fi + f2 + ... = f таким образом, что при воздействии всех элементов группы функции каждого набора преобразуются только друг через друга, не затрагивая функций из других наборов, то такое представление называется приводимым.
Если число преобразующихся друг через друга функций базиса не может быть уменьшено никаким их линейным преобразованием, то такое представление называется неприводимым. Неприводимые представления являются одной из основных характеристик группы симметрии. Число различных неприводимых представлений группы симметрии равно числу классов в группе.
Методами теории симметрии секулярное уравнение (2.23) для симметричного кластера подразделяется на независимые блоки, соответствующие неприводимым представлениям группы симметрии. Это производится следующим образом.
В расчетах молекулярных кластеров исходный базис функций выбирается как совокупность функций, отнесенным к о гдельным центрам (атомам). На первом этапе построения симметризованпого базиса МО кластера из базиса функций выделяют такие наборы, что под действием всех операций симметрии функции одного набора переходят только друг в друга (цепочки функций). Атомы, функции которых попадаюі в одну цепочку, образуют орбиту.
Для каждой орбиты составляется совокупность матриц преобразования, соответствующая приводимому представлению, базисом которого являются все волновые функции, принадлежащие атомам рассматриваемой орбиты. После этого рассчитываются характеры полученного приводимого представления как суммы диагональных элементов каждой из матриц. Разложение полученного приводимого представления на неприводимые части производится по формуле: П и где Пи - число, указывающее, сколько раз неприводимое представление D(,I) содержится в приводимом представлении D; h - порядок (число элементов) группы симметрии; R - пробегает все элементы группы; X(a)(R) " характер неприводимого представления D(o1; %(R) - характер представления D.
Для составления симметрированных базисных функций, соответствующих найденным неприводимым представлениям используется метод, основанный на применении операторов проектирования. Операторы проектирования составляются по формуле [72]: в)= Мв)( )-гЛ9 (3.24) где 1а— размерность неприводимого представления а; h - порядок группы симметрии; С\а) - элемент матрицы неприводимого представлення а; Т$ - оператор симметрии, соответствующий элементу R группы симметрии. Функции Рjk — jk {Р ,где qyn - одна из функции орбиты с номером р„ при фиксированных значках к fajmj) и р образуют базис неприводимого представления а. Симметризаваиная орбиталь будет представлять собой сумму функций ф\% .
Разбив приводимые представления, образованные одноэлектроныыми волновыми функциями орбит кластера на неприводимые, можно разбить се-кулярное уравнение (2.8) на независимые блоки, соответствующие каждому неприводимому представлению. Волновая функция, описывающая молекулярную орбиталь какого-либо неприводимого представления, будет пред 67 ставлять собой линейную комбинацию симметрированных атомных орбита-лей, преобразующихся по данному представлению. Симметризации подвергаются угловые части атомных волновых функций.
Такая процедура позволяет значительно снизить время вычислений, увеличивает возможности программ по расчету больших кластеров. Кроме того, появляется возможность классификации молекулярных орбиталей по их симметрийным свойствам, что облегчает теоретический анализ электронного строения [72, 15].
В отдельных подсистемах радиальная часть волновой функций для всех орбиталей одинакова. Величина S для электрона с определенным квантовым числом п вычисляется по правилам Слэтера [23]:
1. Электроны внешних подсистем не принимаются во внимание.
2. Вклад каждого электрона в одной подсистеме составляет 0.35; однако вклад ls-электрона в этом случае равен только 0.30.
3. Далее учитываются вклады электронов, которые занимают более глубокие оболочки. Вклады электронов S- и р-типа составляют 0.85, если они находятся на ближайшей более глубокой оболочке, и 1.00, если они находятся на еще более глубоких оболочках. При вычислении постоянной экранирования для d-электрона каж дому внутреннему электрону приписывается вклад 1.00.
Оценка прочности адгезионного взаимодействия износостойких покрытий с инструментальной основой
Другим важнейшим фактором, влияющим на работоспособность инструмента, является диффузия.
Известно [68]s что потенциальная энергия атома при осуществлении диффузионного перехода имеется два минимума, один из которых занимается атомом в начальном положении, другой - в конечном (Рисунок 4. 15). Оба минимума отделены друг от друга потенциальным барьером Д11 Для совершения диффузионного перехода атому необходимо получить энергию, превосходящую величину потенциального барьера. Чем выше потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу атома при определенной температуре контакта, тем меньше вероятность диффузии. Интенсивность диффузионного перехода атомов из материала покрытия в обрабатываемый материал также можно исследовать, используя расчеты полной энергии кластеров при различных положениях диффундирующего атома.
Расчетная оценка потенциального барьера для диффузии атомов покрытия в обрабатываемый материал и изменения внутренней энергии кластера вследствие диффузии осуществлялась в следующем порядке: 1) расчет полной электронной энергии объединенного кластера, в котором отсутствует один атом на поверхности обрабатываемого материала (Рисунок 4. 17); Ill Рисунок 4.16- Кластер, моделирующий наличие поры в обрабатываемом материале Рисунок 4. 17. Кластер для расчета энергетического барьера диффузии t 112 Рисунок 4. )8. Кластер, моделирующий совершившийся переход атома 2) расчеі полной энергии кластера в состоянии, когда атом, принадлежащий кластеру, моделирующему покрытие, находится в промежуточном положении между его начальным положением и свободным узлом, в который он должен перейти (Рисунок 4. 17); 3) расчет полной энергии кластера, моделирующего совершившийся переход атома (Рисунок 4. 18),
Разность полных энергий, рассчитанных во втором и первом пунктах определяет величину потенциального барьера, препятствующего переходу атома. Разность энергий, рассчитанных по пунктам 3) и 1) характеризует стабильность нового состояния и вероятность обратного перескока атомов.
Результаты расчета диффузии показывают, что уровень энергетического барьера, препятствующего проникновению атома из покрытия в обрабатываемый материал, например, для соединений титана и ниобия различен (Рисунок 4, 19). Соединения ниобия менее диффузионно активны по отно 113 шению к (І -Ті, чем соединения титана в связи с большим значением энергетического барьера. Диффузия атома титана в [і -Ті в конечном счете приводит к понижению полной электронной энергии кластера. Состояние системы становится несколько более стабильным и обратный переход атома маловероятен. Для соединений ниобия ситуация качественно иная. Диффузионный переход атома ниобия сопровождается повышением внутренней энергии системы и имеет значительный энергетический барьер определяемый в данном случае разностью энергетических состояний в начальном и конечном положениях. При этом существует вероятность возвращения диффундировавшего атома в кристаллическую решетку покрытия- Отсюда можно сделать вывод, что в данном случае, соединения ниобия являются более эффективным барьером для диффузионных процессов, чем соединения титана.
Применение в качестве покрытий соединений титана нецелесообразно, так как уже при небольших температурах диффузия является энергетически выгодной, понижая энергию атомной системы.
Результаты расчетов, показывающие степень энергетической выгодности перехода металлического компонента покрытия в обрабатываемый материал для Ni показаны ниже (Рисунок 4.20).
Наличие энергетического барьера для диффузии металлического компонента покрытий в никель расчетным путем не обнаруживается. Это говорит о том, что диффузия в данном случае будет сдерживаться лишь ограниченным количеством вакансий в обрабатываемом материале и массой диффундирующего атома.
Следующим параметром, непосредственно влияющим на работоспособность инструмента с покрытием, является сопротивление материала усталостному изнашиванию или запас пластичности.
Вследствие воздействия температурпо-силовых факторов, в кристаллической реніетке понерхносіи инсірумента происходит накопление дефектов структуры. Появление дефектов сопровождается повышением внутренней энергии системы. Когда накопленная энергия превосходит некоторый предельный уровень, материал разрушается. Автором предлагается оценить предельный уровень накопленной энергии, так называемой предельной энергии скрытой деформации [26] по энергии связи атомов в кластерах. Это мож 115 но осуществить, определив разность между суммой полных электронных энергий отдельных атомов, входящих в состав кластера, и полной электронной энергии кластера. При этом можно воспользоваться валентным приближением, считая, что электронная энергия внутренних электронных оболочек атомов при образовании химических связей остается неизменной.
Для расчетов использовались известные из научной литературы значения одноэлектронньтх энергий отдельных атомов. По результатам расчетов (Рисунок 4. 21) можно сделать следующие выводы (при прочих равных условиях): из всех исследуемых покрытий наибольшим уровнем предельной энергии скрытой деформации обладают соединения ниобия; сопротивление усталостному износу у нитридов сильнее, чем у карбидов, карбоничриды занимают промежуточное положение; легирование нитрида титана атомами Zr, Сг, Мо и Fe повышает уров-пень предельной энергии скрытой деформации (цирконий в наименьшей степени, железо - в наибольшей).
