Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса по проблеме повышения работоспособ ности быстрорежущего инструмента, цель и задачи исследования 11
1.1. Упрочнение поверхностного слоя быстрорежущего инструмента методами физико-механического и термического воздействий 12
1.2. Методы нанесения покрытий на инструмент из быстрорежущей стали 26
1.3. Направления совершенствования инструмента с покрытием 30
1.4. Цель и задачи исследований 50
2. Теоретико-экспериментальные исследования формирования свойств и конструкции покрытий с повышенными адгезионно- прочностными свойствами 53
2.1. Механизм разрушения покрытий и изнашивания быстрорежущего инструмента 53
2.2. Разработка физических моделей формирования покрытий 57
2.3. Выводы 78
3. Методика проведения исследований 81
3.1. Объекты исследований 81
3.2. Оборудование для нанесения покрытий 81
3.3. Методика исследования структурных параметров и физико-механических свойств покрытий 86
3.4. Методика исследования работоспособности инструмента 88
3.5. Планирование экспериментов 89
3.6. Обработка результатов исследований. Методы анализа полученной информации 90
4. Разработка конструкций и исследование свойств покрытий и композиции «покрытие - инструментальная основа» 99
4.1. Технологические режимы нанесения покрытий 99
4.2. Выбор химического состава переходного адгезионного слоя 103
4.3. Исследование структурных параметров и физико-механических свойств покрытий 109
4.4. Исследование режущих свойств инструмента с покрытиями 129
4.5. Выводы 141
5. Исследование области эффективного применения режущего инструмента с износостойкими покрытиями с переходными адгезионными слоями 143
5.1. Исследование работоспособности инструмента с покрытиями 143
5.2. Опытно-промышленные испытания режущего инструмента с износостойкими покрытиями 151
5.3. Технико-экономическое обоснование применения режущего инструмента с износостойкими покрытиями 154
5.4. Выводы 160
Заключение 161
Список литературы
- Методы нанесения покрытий на инструмент из быстрорежущей стали
- Разработка физических моделей формирования покрытий
- Методика исследования структурных параметров и физико-механических свойств покрытий
- Выбор химического состава переходного адгезионного слоя
Введение к работе
j 3 "7^"? 1.
Актуальность темы. Нанесение износостойких ионно-плазменных покрытий является одним из наиболее эффективных методов повышения работоспособности режущего инструмента (РИ). Однако в ряде случаев эффективность такого покрытия невысока из-за его низкой прочности и недостаточной трещиностойкости. Кроме того, различие теплофизических и физико-механических свойств покрытия и инструментальной основы (ИО) приводит к возникновению высоких остаточных напряжений в покрытии, снижает пр0ч* ность их связи и, соответственно, работоспособность РИ.
Повысить прочность связи покрытия и ИО можно путем дополнительного воздействия на композицию «покрытие - ИО», например, лазерной обработкой, или созданием между покрытием и ИО переходного адгезионного слоя (ПАС), содержащего элементы материала покрытия. Несмотря на определенные успехи, достигнутые в области разработки РИ с покрытиями, остаются нерешенными многие вопросы, связанные с повышением его работоспособности. В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной дальнейшему повышению работоспособности РИ с покрытиями, является актуальной.
Автор защищает: 1. Результаты теоретико-экспериментальных исследований остаточных напряжений, возникающих в износостойких покрытиях с ПАС, в частности, методику выбора состава ПАС, основанную на расчете остаточных напряжений в износостойком покрытии с одним и двумя ПАС.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния ПАС на структурные параметры, механические свойства покрытий и интенсивность изнашивания РИ.
-
Технологические режимы нанесения и конструкции износостойких покрытий с ПАС.
-
Результаты экспериментальных исследований работоспособности РИ с износостойкими покрытиями с ПАС при обработке резанием заготовок из различных материалов и результаты опытно-промышленных испытаний.
Цель работы: повышение работоспособности быстрорежущего инструмента путем нанесения износостойких покрытий с ПАС.
ЮМ
I С. Петербург
3?ВД
і оэ
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи: 1. Проанализированы причины разрушения покрытия в процессе резания и определены пути повышения его адгезионной связи с ИО. 2. Разработана методика выбора состава ПАС, основанная на расчете остаточных напряжений в износостойком покрытии, и предложены физические модели конструкций износостойких покрытий с ПАС. 3. Разработаны технологические режимы нанесения и рациональные конструкции износостойких покрытий с ПАС. 4. Выявлена высокая работоспоопйот^та^^^^^тіанньїми износостойкими покрытиями. 5. Опытно-промышлитоимвтшклгеаняями в условиях
4 действующего производства подтверждена высокая эффективность РИ с разработанными износостойкими покрытиями.
Научная новизна: 1. Предложена и экспериментально проверена методика выбора состава ПАС, основанная на расчете остаточных напряжений в покрытии с одним и двумя ПАС.
2. Предложены конструкции покрытий с ПАС на основе TiN и (Ті, Zr)N, обеспечивающих снижение величины остаточных напряжений и повышение работоспособности РИ.
. . , 3. Выявлен механизм влияния конструкции покрытия (количества, состава и толщины ПАС) на структурные параметры, механические свойства покрытия и интенсивность изнашивания РИ.
4. Выявлены взаимосвязи интенсивности изнашивания РИ с покрытиями, содержащими ПАС, с механическими свойствами и структурными параметрами покрытий.
Практическая ценность и реализация работы: 1. Разработаны технологические регламенты по режимам ионной очистки и конденсации покрытий с ПАС различной конструкции.
2. Разработаны рекомендации по толщинам ПАС и верхнего слоя покрытия, обеспечивающим минимальную интенсивность изнашивания РИ.
3._ Опытно-промышленными испытаниями, выполненными в производственных условиях ОАО «Автодеталь-Сервис» (г. Ульяновск), подтверждена высокая работоспособность РИ с покрытиями, содержащими ПАС. Разработанные технологические рекомендации по нанесению покрытий с ПАС на РИ приняты ОАО, «Автодеталь-Сервис» для использования в производственных условиях. Результаты работы включены в учебный процесс подготовки специалистов по специальности 120100 - «Технология машиностроения».
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научно-технических конференциях (НТК) УлГТУ в 2000 - 2002 гг.; международном научно-техническом семинаре «Высокие технологии в машиностроении: современные тенденции развития», г. Харьков, 1999, 2002 гг.; международных НТК «Молодежь - науке будущего», г. Набережные Челны, 2000 г., «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных сие гем и процессов», г. Ульяновск, 2001, 2003 гг., «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения», г. Орел, 2002 г., «Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций», г. Санкт-Петербург, 2003 г., «Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве», г. Харьков, 2003 г.; всероссийских НТК «Методы и средства измерений», г. Нижний Новгород, 2000 г., «Материалы и технологии XXI века», г. Пенза, 2001 г., «Технический вуз -наука, образование и производство в регионе», г. Тольятти, 2001 г., «Инновации в машиностроении - 2001», г. Пенза, 2001 г., «Аэрокосмические техноло-
5 гии и образование на рубеже веков», г. Рыбинск, 2002 г.; на научно-технических семинарах кафедр «Технология машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты» УлГТУ в 2002, 2003 гг.; на заседании научно-технического совета машиностроительного факультета УлГТУ в 2003 г.
Публикации, По теме диссертации опубликовано 28 работ, в том числе 1 патент на изобретение и 6 свидетельств на полезные модели, 3 положительных решения о выдаче патентов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (298 наименований) и приложений (19 страниц), включает 186 страниц машинописного текста, 39 рисунков и 50 таблиц.
Методы нанесения покрытий на инструмент из быстрорежущей стали
Данная технология реализуется в установках типа «Пуск», «Булат», «ННВ», работающих на принципах плазменных ускорителей и использующих вакуумную дугу - сильноточный низковольтный разряд, реализуемый в глубоком вакууме и развивающийся в парах материала катода. Ионы металла генерируются в виде высокоскоростных катодных струй с торцовой поверхности в результате эрозии материала катода. Ионы испаряемого вещества вступают в химическое взаимодействие с реакционным газом, что позволяет формировать П из оксидов, нитридов, карбидов, карбонитридов и других соединений.
Метод КИБ является достаточно универсальным с точки зрения возможности получения широкой гаммы однослойных, многослойных и многокомпонентных П на основе нитридов, карбидов, карбонитридов металлов IV - VI групп ПСЭ [209]. Эффективность метода КИБ обусловлена его уникальными особенностями: широким диапазоном удельных мощностей воздействия на по 1 ft О верхность (от 0,1 до 10 Вт/см ), высокой управляемостью, малой инерционностью процесса, быстротой перестройки [210]. Высокая плотность энергии в катодном пятне позволяет испарять и наносить любые тугоплавкие токопроводя-щие материалы независимо от температуры их плавления [210]. Технологическим преимуществом при нанесении П является очистка поверхности от окис-ных и адсорбированных пленок ионной бомбардировкой [210]. Плазменное состояние вещества позволяет легко регулировать процесс и создавать оптимальные условия формирования П с необходимыми свойствами [211]. Состав и свойства П можно менять в широких пределах, причем можно получать многослойные П с плавным изменением состава от одного слоя к другому [211,212].
Высокая степень ионизации плазменного потока в процессе конденсации П позволяет в значительной степени изменять энергию потока, а в сочетании со временем воздействия влияние этих факторов на свойства композиции «П -ИО» является достаточно большим [194], что позволяет в широких пределах изменять свойства данной композиции.
Нанесение П оказывает существенное влияние на механические свойства композиции «П - ИО», в частности, наносимые П обладают значительно большей термодинамической устойчивостью и лучшей сопротивляемостью высоко температурным окислению и коррозии, чем ИО [194]. Микротвердость образцов Р6М5 с П TiN остается выше микротвердости образцов без П в диапазоне температур 20 — 600 С, что свидетельствует о более высокой сопротивляемости контактных площадок РИ макро- и микроразрушению при температурах, соответствующих реальным температурам процесса резания [194, 198].
Нанесение П на рабочие поверхности РИ оказывает существенное влияние на контактные характеристики процесса резания. Нанесение П снижает отношение высоты нароста к длине подошвы, что свидетельствует о снижении влияния геометрии нароста на характеристики процесса резания, значительно сужает диапазон скоростей устойчивого наростообразования [198]. Скорость, при которой образуется нарост максимальной высоты, смещается в область более высоких значений. Для РИ с П уменьшаются размеры зон основных и дополнительных пластических деформаций [198]. Нанесение П приводит к снижению составляющих сил резания, коэффициента укорочения стружки и трения на передней и задней поверхностях, уменьшение мощности основных источников теплоты при работе РИ с П ведет к снижению средних температур на передней поверхности, задней и в зоне резания [198, 217 - 220].
Благоприятное изменение контактных характеристик процесса резания обуславливает повышение работоспособности РИ с П. Нанесение П замедляет развитие очагов износа передней и задней поверхностей РИ. Наиболее широко применяемое в настоящее время П нитрида титана TiN вследствие простоты технологического процесса его нанесения и высокой производительности позволяет повысить период стойкости РИ в 1,4 - 3 раза [55, 209, 211, 218, 220 -222, 224 - 226, 228 - 235, 240]. Менее широкое применение нашел РИ с П на основе нитридов других тугоплавких соединений (VN, NbN) [222, 239, 240] из-за крайней дефицитности ряда тугоплавких металлов [198], а также с П на основе карбидов (TiC, ZrC, NbC) [221, 222, 240] вследствие более высокой адгезионной активности карбидов к углеродистым сталям по сравнению с нитридами [222]. Высокая работоспособность РИ с П сохраняется после переточки по одной из рабочих поверхностей [30, 51, 194, 219, 240, 242 - 245] благодаря сохранению П на другой рабочей поверхности.
Несмотря на высокую работоспособность РИ с П на основе нитрида титана, в ряде случаев эффективность его не достаточно высокая вследствие недостатков, присущих методу КИБ, приводящих к ухудшению качества П на рабочих поверхностях РИ. Анализ работ [3, 194, 197 - 199] показывает, что в процессе эксплуатации РИ наблюдается отслоение П. Долговечность П TiN на контактных площадках РИ из быстрорежущей стали (для сверл, метчиков, червячных и концевых фрез) составляет 0,5 - 10 % времени работы РИ до полного затупления [194]. Отслоение П наиболее характерно для операций сверления, фрезерования, зубообработки, работы с переменным припуском. Главные причины разрушения П - склонность режущей части РИ к упругопластическим деформациям и потере формоустойчивости, недостаточная прочность адгезионной связи П и ИО, дефекты П и др. [194]. Эффективность РИ с П на основе соединений титана при обработке материалов, содержащих титан, резко снижается вследствие усиления адгезионного взаимодействия П и ОМ [194, 221, 242].
Разработка физических моделей формирования покрытий
Исследования механизма разрушения П и изнашивания быстрорежущего инструмента проводили при продольном точении заготовок из конструкционной малолегированной стали ЗОХГСА и нержавеющей стали аустенитного класса 12Х18Н10Т на токарно-винторезном станке 16К20. В качестве РИ использовали шестигранные неперетачиваемые пластины из быстрорежущей стали Р6М5К5, которые устанавливались и закреплялись в державках, обеспечивающих следующую геометрию режущей части пластин: у = 10, а = 8, ф = 45, Фі = 15, А, = 0, г = 0. Исследования проводили с применением 5 % - ной эмульсии Укринол -1MB широком диапазоне режимов резания: скорость резания варьировали в пределах V = 50 - 70 м/мин (ОМ - сталь ЗОХГСА) и V = 20 - 30 м/мин (ОМ - сталь 12Х18Н10Т), подачу изменяли от 0,15 мм/об до 0,3 мм/об при постоянной глубине резания t = 1 мм.
Проведенные исследования полностью согласуются с результатами работ [3, 194, 198, 199, 279]. Нанесение П замедляет развитие очагов износа передней и задней поверхностей РИ. Практически полностью отсутствуют проточины и усы износа у краев контактных площадок РИ, где наиболее сильно реализуются химико-окислительные виды износа. Последнее хорошо подтверждает данные о значительном повышении стойкости быстрорежущей стали против окисления после нанесения П [3, 194]. Отсутствие дополнительных очагов износа у краев контактных площадок положительно влияет на стойкость РИ, так как при этом устраняются источники интенсивного трения и тепловыделения.
Разрушение П TiN на контактных площадках РИ из быстрорежущей стали протекает достаточно интенсивно, и уже в первые 1-1,5 мин работы РИ П на контактной площадке имеет сетку усталостных трещин [198, 279]. В даль нейшем П частично или полностью разрушается. Частичное сохранение П на «полочке» вдоль контактной площадки можно объяснить защитным действием застойной зоны; она же сохраняет П и на локальных участках задней поверхности. Остатки П на контактных площадках РИ сдерживают развитие очагов износа; особенно заметно замедляется рост лунки износа в ширину. В дальнейшем происходит разрушение остатков П вследствие их «выламывания» [198, 199,279].
Анализ профилограмм очагов износа, полученных после различного времени работы РИ, показывает [198, 279], что для РИ с П характерно увеличение фактического переднего угла уф. Это связано с более интенсивным ростом лунки на передней поверхности в ширину для РИ без П. Большее значение переднего угла для РИ из быстрорежущей стали с П является причиной снижения энергозатрат на пластическое деформирование срезаемого слоя и общего уменьшения термомеханических напряжений режущей части. Последнее является еще одной причиной роста периода стойкости для РИ с П.
Заметно снижается эффективность однослойного П на контактных площадках РИ из быстрорежущей стали при резании в условиях активного нарос-тообразования. Особенно это проявляется при скорости резания V = 25 - 50 м/мин и подаче S = 0,3 - 0,7 мм/об [194]. Это связано с неустойчивостью процесса наростообразования, появлением низкочастотных (0,5 - 1,5 кГц) вибраций, цикличностью нагружения контактных площадок РИ и высокой интенсивностью разрушения П вследствие зарождения и развития трещин усталости [194].
В ряде случаев работоспособность РИ с П неудовлетворительна из-за нестабильности характеристик П вследствие невыполнения условий технологического процесса его конденсации, недостаточной прочности материала П и прочности сцепления П с ИО. Одной из причин недостаточной прочности связи П с ИО является наличие в П высоких остаточных напряжений, образование которых связано с различием физико-механических свойств П и ИО.
Различие физико-механических и теплофизических свойств П и ИО приводит к образованию высоких остаточных напряжений в П и, как следствие, к большому перепаду напряжений на границе «П - ИО», что способствует снижению прочности сцепления П с ИО и, как следствие, периода стойкости РИ при его эксплуатации.
Величина остаточных напряжений в П оказывает существенное влияние на работоспособность РИ, и увеличение перепада напряжений на границе «П -ИО» приводит к снижению периода стойкости РИ [194]. Таким образом, остаточные напряжения в П являются одним из важнейших факторов, во многом определяющем работоспособность РИ. Поэтому снижение остаточных напряжений в П является одним из путей дальнейшего совершенствования РИ с П и повышения его работоспособности.
Как было показано в главе 1, одним из методов снижения величины остаточных напряжений в П и, соответственно, перепада напряжений на границе «П - ИО» является нанесение переходных слоев между П и ИО. Нанесение П с переходными слоями способствует снижению остаточных напряжений и перепада напряжений между П и ИО, что ведет к повышению прочности сцепления П с ИО и, как следствие, периода стойкости РИ [3, 194].
Более благоприятного изменения указанных выше характеристик можно добиться за счет создания между П и ИО переходного адгезионного слоя (ПАС), химический состав которого близок к материалу как П, так и ИО [281, 282] (рис. 2.1).
Технология нанесения П с ПАС может быть реализована на РИ как из быстрорежущей стали, так и из твердого сплава. Наиболее просто ее можно реализовать для быстрорежущего инструмента. Учитывая, что основным элементом быстрорежущей стали является железо, для обеспечения химического сродства с ИО ПАС должен содержать именно железо. Нанесение ПАС с содержанием железа и элементов П вполне осуществимо на установках для нанесения П, реализующих метод КИБ. Так, в работах [199, 279] разработана технология нанесения П сложного состава на основе нитрида титана и железа, предложены катоды для его нанесения. При реализации технологии нанесения П с ПАС на РИ из твердого сплава в настоящее время возникает ряд сложностей, связанных с отсутствием катодов для конденсации П.
Методика исследования структурных параметров и физико-механических свойств покрытий
Структурные исследования образцов с П проводили методами рентгеновской дифрактометрии [296]. Особенности применяемых методик связаны с некоторыми сложностями, возникающими при изучении таких объектов, какими являются П, - малая толщина, высокая твердость, хрупкость, высокая дефектность кристаллической структуры и т. д. Исследование дефектов кристаллического строения опирается на теорию рассеивания рентгеновских лучей в деформированных кристаллах [296], в результате чего происходит перераспределение интенсивности лучей, что может вызвать размытие и смещение дифракционных максимумов, изменение их интегральной интенсивности. Так, смещение максимумов пиков дифракционных линий и перераспределение интенсивностей между ними могут вызвать напряжения первого рода, дефекты упаковки, изменение фазового состава П, появление в материале П преимущественных ориентировок (текстур) и т. д. На форму рентгеновских линий могут действовать микроискажения кристаллической решетки, дисперсность областей когерентного рассеяния и др.
Измерение параметров структуры проводилось на рентгеновском ди-фрактометре «ДРОН - 3» с использованием фильтрованного Сока и СиКа - излучения [296]. С целью повышения контрастности рентгеновских линий и снижения фона от флуоресцентного излучения применяли пирографитовый монохроматор. Дифрактограммы записывали на диаграммную ленту самописца КСП - 4 при скорости движения ленты 600 мм/мин, скорости вращения гониометра 2 град/мин, либо снимали «по точкам» в режиме пошаговой съемки.
Управление дифрактометром "ДРОН - 3", а также обработку результатов рентгеновской съемки осуществляли с помощью ЭВМ IBM PC.
В качестве параметров кристаллической структуры П были выбраны: период кристаллической решетки а, А; полуширина рентгеновской линии (111) Рш, характеризующая степень дефектности структуры П, град [296]; остаточные макронапряжения о0, МПа.
Определение остаточных напряжений проводили методом «sin2\j/» [296] в фильтрованном СиКа - излучении. Основной сложностью при измерении остаточных напряжений в П является нелинейность угла дифракции от угла склонения. Причиной этой нелинейности в соответствии с [296] может быть текстура П, которая для анизотропных материалов служит причиной образования неоднородно распределенных в пространстве упругих деформаций. Как показано в работе [296], текстура является наиболее трудным для интерпретации фактом, влияющим на результаты рентгеновской тензометрии. Учитывая, что в настоящее время нет общепринятой методики измерения остаточных напряжений на поверхностях, обладающих текстурой, использовали общепринятую методику с учетом наличия текстуры П.
В связи с высокой микротвердостью и малой толщиной П измерение микротвердости П проводили с использованием пирамиды Виккерса при нагрузке 1 Н на микротвердомере ПМТ - 3 [279, 295]. При снижении нагрузки до 0,5 Н контуры отпечатков искажались дефектами поверхностного слоя, а при увеличении нагрузки до 1,2 - 2 Н вокруг отпечатков появлялись трещины. Пластины с П предварительно подполировывались алмазной пастой. Отпечатки, имеющие искажения или хрупкое разрушение, не измерялись.
При проведении измерения микротвердости с использованием пирамиды Виккерса значение микротвердости определяется по формуле: Р Н,= 1,8544 , (3.1) d2 где Нц - микротвердость, МПа; Р - нагрузка, приложенная к пирамиде, Н; d - длина диагонали отпечатка, измеряемая после снятия нагрузки, мм.
Оценку прочности сцепления П с ИО проводили методом воздействия лазерного излучения на лазерной технологической установке импульсного дейст-вия «Квант - 15» при плотности мощности лазерного излучения q = 41 кВт/см (длительность импульса лазерного излучения ти = 4 мс, диаметр лазерного луча в плоскости фокусировки излучения dn = 1 мм).
За критерий оценки прочности сцепления П с ИО был принят коэффициент отслоения К0, определяемый из соотношения: So Ко = , (3.2) где S0 - площадь отслоения П внутри пятна лазерного луча, мм ; Sm - площадь лазерного пятна, мм2. Площади S0 и Sj,n измеряли с помощью проекционного микроскопа ПМЕ (производство Германии).
Стойкостные испытания РИ проводили при продольном точении заготовок на токарно-винторезном станке 16К20, оснащенном приводом бесступенчатого регулирования частоты вращения шпинделя (для поддержания постоянной скорости резания при изменении диаметра обрабатываемой заготовки) на базе электродвигателя постоянного тока и тиристорного преобразователя. Измерение скорости резания осуществлялось тахометром часового типа ТЧ - ЮР (с непосредственным определением скорости резания в м/мин).
Заготовки ОМ специально готовили для исследований, предварительно снимая с них припуск толщиной 5 мм, закрепляли в трехкулачковом патроне и поджимали задним вращающимся центром. Диаметр заготовок был в пределах 160 - 200 мм, длина - 450 - 550 мм. В процессе стойкостных испытаний заготовка принудительно заменялась, если соотношение длины заготовки к ее диаметру становилось более 8-9.
Выбор химического состава переходного адгезионного слоя
Исследовали влияние толщины ПАС на основе чистых титана и железа (Ті - Fe) и их нитрида (Ті, Fe)N на структурные параметры и механические свойства П на основе TiN: (Ті - Fe) + TiN и (Ті, Fe)N + TiN [281, 282, 288 - 291]. Результаты данных исследований приведены в табл. 4.5 - 4.10 и на рис. 4.4 и 4.5. Результаты математической обработки экспериментальных данных по структурным параметрам и механическим свойствам и полученные регрессионные зависимости приведены в приложении 1.
Исследованиями установлено, что наличие ПАС практически не изменяет периода кристаллической решетки и полуширину рентгеновской линии. Так, для П (Ті - Fe) + TiN величина Рш имеет такое же значение, как и для П TiN: Ріп = 0,43, а для П (Ті, Fe)N + TiN она повышается не более, чем на 5 % по сравнению с П TiN (табл. 4.5 и 4.6). При этом с ростом толщины ПАС (Ті, Fe)N наблюдается увеличение полуширины рентгеновской линии. Так, при толщине ПАС, равной 1,5-2 мкм, величина рш и для П (Ті, Fe)N + TiN и для П TiN равна 0,43. При увеличении толщины ПАС до 2,5 - 3 мкм имеет место рост величины рш до значения 0,44. Максимальное увеличение полуширины рентгеновской линии наблюдается при толщине ПАС, равной 3,5 мкм - до значения Ріп = 0,45. Отмеченное повышение величины pi и, очевидно, связано с наличием слоя (Ті, Fe)N, для которого характерно большее значение данной величины по сравнению с П TiN [199]. Изменение периода кристаллической решетки (табл. 4.5 и 4.6) лежит в пределах 1 % - ного интервала, что свидетельствует об отсутствии влияния конструкции П с ПАС на данный параметр.
В то же время, введение в конструкцию П ПАС как на основе (Ті - Fe), так и (Ті, Fe)N способствует снижению величины остаточных напряжений по сравнению с однослойным П TiN [281, 282, 288 - 291]. Наблюдаемое снижение величины о0 объясняется плавным уменьшением величины остаточных напряжений от внешнего слоя к ИО при введении в состав ПАС железа (см. главу 2).
Исследованиями установлено, что величина остаточных напряжений в П существенно зависит от химического состава и толщины ПАС. При этом для П с ПАС на основе (Ті - Fe) имеет место монотонный характер зависимости остаточных напряжений от толщины ПАС (рис. 4.4, а). Увеличение толщины ПАС от 1,5 мкм до 3 мкм способствует снижению величины т0 в П с -1540 МПа до -1050 МПа. Данный факт объясняется наличием микрослоев чистого железа и постепенным повышением их массового содержания в общей толщине П с ростом толщины ПАС.
Создание между ИО и внешним слоем TiN ПАС на основе (Ті, Fe)N также способствует снижению остаточных напряжений по сравнению с однослойным П TiN. Однако, как видно из графика, приведенного на рис. 4.4, б, характер зависимости остаточных напряжений от толщины ПАС (Ті, Fe)N носит экстремальный характер. С увеличением толщины ПАС (Ті, Fe)N и одновременно уменьшением толщины верхнего слоя TiN остаточные напряжения в П сначала снижаются, достигая минимума, а затем монотонно возрастают.
Данное изменение величины остаточных напряжений в зависимости от толщины ПАС (Ті, Fe)N можно объяснить следующим образом. Анализ данных, представленных в табл. 4.7, показывает, что зависимости изменения величины ст0 от толщины ПАС и толщины верхнего слоя TiN имеют экстремальный характер. Увеличение толщины слоя (Ті, Fe)N ведет к снижению величины о0 до момента примерного равенства толщин данного слоя и верхнего слоя TiN в общей толщине П. В дальнейшем толщина слоя TiN становится меньше толщины ПАС (Ті, Fe)N и величина остаточных напряжений возрастает. Аналогично ведет себя и зависимость величины о0 от толщины слоя TiN. Следовательно, величина остаточных напряжений в многослойном П определяется соотношением толщин ПАС и слоя TiN и зависит, по-видимому, от величины ст„ в данных слоях. Как показали расчеты, представленные в главе 2, величина ст0 для П TiN выше по сравнению с П (Ті, Fe)N. Учитывая вышесказанное и данные расчета остаточных напряжений в слоях TiN и (Ті, Fe)N, можно сделать заключе ниє, что увеличение общей доли (толщины) слоя с большим значением о0 в общей толщине П ведет к повышению в нем остаточных напряжений и наоборот. При этом минимальные значения г0 в П имеют место при примерном равенстве толщин слоев TiN и (Ті, Fe)N. Таким образом, снижение величины о0 с ростом толщины ПАС при постоянной общей толщине всего П (рис. 4.4, б) связано с уменьшением толщины верхнего слоя TiN, имеющего большее значение у0. Дальнейший рост величины г0 объясняется большим влиянием нижнего слоя (Ті, Fe)N на величину остаточных напряжений. С одной стороны, дальнейшее уменьшение толщины верхнего слоя TiN должно вести к снижению величины о0, однако повышение толщины слоя (Ті, Fe)N способствует росту величины ст0 и данный фактор превалирует над первым (согласно работам [3, 279] рост толщины П до 4 - 6 мкм приводит к повышению в них остаточных напряжений).
Как видно из данных табл. 4.7 и рис. 4.4, б, зависимость величины о0 от толщины ПАС имеет экстремальный характер независимо от общей толщины П. При этом величина остаточных напряжений определяется толщиной ПАС и общей толщиной П. Так, для П с общей толщиной 4 мкм, 5 мкм и 6 мкм минимальные остаточные напряжения были равны соответственно -1559 МПа, -1336 МПа и -1273 МПа при толщине ПАС (Ті, Fe)N соответственно 2 мкм, 2,5 мкм и 3 мкм. Отмечено, что с ростом общей толщины П минимум остаточных напряжений смещается в сторону больших толщин ПАС (Ті, Fe)N. Так, для П с общей толщиной 4,5 мкм, 5,5 мкм и 6,5 мкм толщина ПАС (Ті, Fe)N, при которой наблюдается минимальное значение о0, равна соответственно 2 мкм, 2,5 мкм и 3 мкм.
Анализируя полученные данные, можно отметить, что наибольшее снижение величины остаточных напряжений имело место для П с общей толщиной 6 мкм и толщинами ПАС (Ті, Fe)N и слоя TiN, равными 3 мкм. Изменение структурных параметров П находит свое отражение и в изменении механических свойств П.
