Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ 12
1.1. Материалы, способы получения и традиционные пути повышения адгезионно-когезионной прочности износостойких покрытий 12
1.2. Анализ работы износостойких покрытий в экстремальных условиях эксплуатации 24
1.3. Нетрадиционный подход к формированию износостойких покрытий повышенной адгезионно-когезионной стойкости 31
1.4. Основные выводы и постановка задач исследований 35
ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ В ВАКУУМЕ НЕСПЛОШНЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ 40
2.1. "Идеальное" несплошное покрытие 40
2.2. Способы вакуумного формирования и классификация получаемых несплошных поверхностных структур 45
2.3. Форма и геометрические размеры единичного участка несплошного покрытия 51
2.4. Топография несплошного покрытия 56
2.5. Влияние внешних нагрузок на напряжения в единичном участке 60
2.6. Основные требования к несплошному износостойкому покрытию и технологии его получения в вакууме 63
2.7. Выводы по главе 64
ГЛАВА 3 ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ОСАЖДЕНИЯ В ВАКУУМЕ НА ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕСПЛОШНОГО ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ 67
3.1. Отечественные способы и оборудование для нанесения износостойких покрытий в вакууме 67
3.2. Некоторые особенности формирования износостойких покрытий на отечественном оборудовании . ...70
3.2.1. Формирование покрытий методом конденсации с ионной бомбардировкой (КИБ) на установках ННВ 6.6.-И1 и ННВ 6.6.-И5. 71
3.2.2. Взаимное влияние параметров несамостоятельного разряда в парах испаряемого металла при нанесении покрытия реактивно-электронно-плазменным (РЭП) методом 80
3.2.3. Особенности нанесения покрытий магнетронно-ионным распылением на установке МИР-2 84
3.2.4. Распределение толщины вакуумного износостойкого покрытия по сечению пучка испаряемого материала при нанесении его различными отечественными способами 93
3.3. Конструктивные особенности формирующего сепаратора для получения несплошных износостойких покрытий в вакууме 96
3.4. Нанесение несплошного износостойкого покрытия на плоскую подложку 103
3.5. Нанесение несплошного износостойкого покрытия на цилиндрическую подложку 112
3.6. Оценка срока службы сетчатого экрана формирующегося сепаратора 121
3.7. Нанесение несплошного титанового покрытия реактивно-электронно-плазменным (РЭП) методом 123
3.8. Механизм формирования единичного участка несплошного покрытия 133
3.8.1. Формирование единичного участка при помощи сетчатого экрана 133
3.8.2. Формирование единичных участков с помощью перфорированной ленты 141
3.9. Нанесение несплошных покрытий на поверхности по своим размерам превышающие размеры зон нанесения покрытий с 20% разбросом по их толщине 145
3.10. Выводы по главе 151
ГЛАВА 4 ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ИОННОГО АЗОТИРОВАНИЯ НА СТРУКТУРНЫЙ СОСТАВ МАТЕРИАЛА ЕДИНИЧНОГО УЧАСТКА НЕСПЛОШНОГО ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ 156
4.1. Использование ионного азотирования в промышленности и основные условия протекания плазмохимической реакции 156
4.2. Анализ и исследование способов нагрева подложки в вакууме 157
4.3. Принцип получения "бугристого" поверхностного слоя 166
4.4. Технологическое оборудование и методика проведения исследований по изучению влияния условий ионного азотирования на структурный состав диффузионной зоны 168
4.5. Сравнительное исследование характера азотирования титанового сплава ВТ1-00 ев и титанового покрытия 172
4.6. Влияние толщины титанового покрытия и времени азотирования на структуру диффузионной зоны 182
4.7. Кинетика роста слоев диффузионной зоны 182
4.8. Механизм и этапность формирования диффузионной зоны на поверхности стали 12Х18Н10Т с титановым слоем 193
4.9. Азотирование титанового покрытия на твердом сплаве 198
4.10. Азотирование несплошного титанового покрытия 198
4.11.Выводы по главе 202
ГЛАВА 5 СЛУЖЕБНЫЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕСПЛОШНОГО ПОКРЫТИЯ 204
5.1. Предварительные замечания 204
5.2. Сравнительные испытания инструмента со сплошным и несплошным нитридтитановым покрытием и характер разрушения несплошного покрытия на режущем инструменте 205
5.3. Влияние покрытий на стойкость резцов и динамические характеристики процесса резания при точении стали 45 208
5.4. Исследование деформированного состояния системы "металл-покрытие" при растяжении 214
5.5. Термостойкость покрытия 223
5.6. Стойкость покрытия к разрушению при кавитационной эрозии .223
5.7. Триботехнические свойства покрытия 224
5.8. Оценка уровня остаточных напряжений 231
5.9. Выводы по главе 237
ГЛАВА 6 ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С НЕСПЛОШНЫМ ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ, ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ НЕСПЛОШНЫХ ПОКРЫТИЙ НА РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ В ВАКУУМЕ 242
6.1. Результаты производственных испытаний инструмента с несплошным износостойким покрытием 242
6.2. Технология нанесения несплошных износостойких покрытий на режущий инструмент в вакууме 242
6.3. Оборудование для нанесения несплошных износостойких покрытий на режущий инструмент в вакууме 249
6.3.1. Конденсация с ионной бомбардировкой (КИБ) 249
6.3.2 .Реактивно-электронно-плазменный (РЭП) способ 249
6.3.3. Магнетронно-ионное распыление (МИР) 251
6.3.4. Многофункциональная установка модульного типа 252
ВЫВОДЫ 258
ЛИТЕРАТУРА 263
ПРИЛОЖЕНИЕ 285
- Материалы, способы получения и традиционные пути повышения адгезионно-когезионной прочности износостойких покрытий
- "Идеальное" несплошное покрытие
- Отечественные способы и оборудование для нанесения износостойких покрытий в вакууме
- Использование ионного азотирования в промышленности и основные условия протекания плазмохимической реакции
- Сравнительные испытания инструмента со сплошным и несплошным нитридтитановым покрытием и характер разрушения несплошного покрытия на режущем инструменте
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие авиакосмической техники предъявляет всё более высокие требования к увеличению ресурса летательных аппаратов, что является стимулом для усовершенствования существующих и разработки новых материалов, отличающихся повышенными эксплуатационными характеристиками.
Одним из путей по увеличению ресурса деталей и стойкости режущего инструмента является нанесение на их поверхность износостойких покрытий. Совершенствование существующих и создание новых способов нанесения покрытий, изучение их структуры и свойств, разработка новых составов материалов является актуальной задачей. Появление новых конструкционных труднообрабатываемых материалов и повышенные требования к качеству изготавливаемой продукции привели к бурному внедрению металлообрабатывающих станков с программным управлением, гибких автоматических производств, роторных автоматических линий и т. д., в которых предъявляются повышенные требования к стойкости инструмента. Применение износостойких покрытий на инструменте позволяет интенсифицировать режимы резания, повышать его стойкость и экономить вольфрамосодержащие инструментальные материалы, а их использование на поверхностях деталей авиакосмической техники приводит не только к экономии дорогостоящих конструкционных материалов, но и к ресурсным сбережениям по изготовительным, ремонтным и наладочным работам.
В настоящее время, как в Российской Федерации, так и за рубежом, для повышения износостойкости поверхностей деталей и инструмента все больше получают распространение экологически чистые вакуумные ионно-плазменные технологии нанесения износостойких покрытий из карбидов, нитридов, боридов и окислов переходных металлов. Однако эти покрытия не всегда полностью отрабатывают свой ресурс из-за преждевременного адгезионно-когезионного разрушения, вызываемого как эксплуатационными нагрузками, так и сложным напряженным состоянием, возникающем в покрытии и на границе раздела покрытие-подложка из-за остаточных напряжений, обусловленных различием коэффициентов термического расширения разнородных материалов.
Одним из путей повышения адгезионно-когезионной прочности покрытий является нанесение многослойных покрытий, в которых каждый слой выполняет собственную функцию, а расположение слоев обеспечивает плавный переход физико-механических свойств покрытия от поверхности к подложке. Вторым - создание многокомпонентных покрытий переменного состава по толщине.
Кинетика зарождения и осаждения покрытий в вакууме и характер их разрушения при растяжении подсказывают еще один путь повышения адгезионно-когезионной прочности износостойких покрытий, в котором предлагается формировать покрытие из отдельных единичных участков идентичной формы и располагать их в регулярном порядке, т. е. получать несплошное покрытие, когезионная прочность которого определяется внутренней энергией износостойкого материала, заключенного в объеме участка, а адгезионная - энергией сцепления площади основания участка с подложкой.
Таким образом, проблема повышения адгезионно-когезионной прочности износостойких покрытий за счет снижения в них остаточных напряжений в результате разделения покрытия на элементарные участки, т. е. разработка технологических процессов вакуумного формирования несплошных износостойких покрытий является актуальной.
Цель работы состояла в увеличении ресурса деталей и стойкости режущего инструмента за счет нанесения на их поверхность несплошных износостойких покрытий формируемых в вакууме.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи: 1. Разработка теоретических основ формирования в вакууме несплошных износостойких покрытий:
Аналитическое определение предельных геометрических параметров несплошного покрытия.
Разработка способов формирования в вакууме несплошных покрытий и проведение классификации несплошных износостойких поверхностных структур.
Обоснование геометрических параметров вакуумных несплошных износостойких покрытий и аналитическое изучение влияния внешних нагрузок на напряжения, возникающие в единичном участке покрытия.
Экспериментальное изучение влияния условий формирования в вакууме на геометрические параметры несплошного износостойкого покрытия и на химический и структурный составы материала единичного участка.
Сравнительное исследование физико-механических и эксплуатационных свойств сплошного и несплошного износостойких покрытий из нитрида титана, являющегося наиболее распространенным материалом износостойких покрытий.
Разработка технологических процессов получения несплошных износостойких поверхностных структур на различных изделиях и оценка пригодности оборудования для нанесения сплошных покрытий применительно к нанесению несплошных покрытий.
Научная новизна заключается в следующем:
Обоснованы параметры несплошных износостойких покрытий, формируемых в вакууме, и аналитически установлено, что при использовании в паре трения несплошного покрытия в единичном участке последнего возникают сжимающие напряжения, обусловленные удельной нагрузкой и силой трения в паре.
Для получения несплошного покрытия в вакууме предложено сепарирование плазменного потока испаряемого материала на элементарные струи, формирующие единичные участки покрытия, и выявлен характер влияния рабочего давления процесса нанесения и энергетических характеристик разряда в парах испаряемого материала на макроструктуру несплошного покрытия, получаемого различными отечественными способами, а именно, реактивно-электронно-плазменным (РЭП) напылением, конденсацией ионной бомбардировкой (КИБ) и магнетронно-ионным распылением (МИР).
3, Установлено, что при нанесении несплошного покрытия методом РЭП, путем изменения расстояния между сетчатым экраном и поверхностью плоской подложки от 0 до 2 мм можно управлять профилем поперечного сечения единичного участка, изменяя его от трапециидального до эллиптического с гладким сопряжением с поверхностью, и коэффициентом сплошности покрытия, который возрастает по мере увеличения зазора, а при нанесении методами КИБ и МИР наличие зазора приводит к пропаданию несплошной поверхностной структуры.
Экспериментально установлены и теоретически обоснованы равнообъемный «чашечный» механизм формирования единичного участка покрытия в виде правильной усеченной четырехгранной пирамиды, при получении ее с помощью плотно прилегающего к поверхности подложки сетчатого экрана, и механизм образования диффузионной зоны, возникающей при азотировании в тлеющем разряде титанового покрытия, отличительной чертой которой является наличие «оконной» структуры, представляющей собой замкнутые области азотистого титана окруженные нитридной фазой.
Расчетными и экспериментальными исследованиями установлено, что принудительные ограничения телесного угла распыляемого материала и зоны нанесения покрытия позволяют получать четкую макроструктуру несплошного покрытия на вращающейся цилиндрической и перемещающейся плоской поверхностях, соответственно.
6, С помощью методов математиченского планирования эксперимента получены аналитические зависимости, отражающие влияние параметров несамостоятельного разряда в парах испаряемого титана на скорость осаждения титанового покрытия электронной пушкой в вакууме и показывающие, что напряжение разряда оказывает большое влияние на скорость осаждения, чем ток разряда.
7. Изучены физико-механические свойства несплошного покрытия из нитрида титана и предложен графоаналитический способ определения радиуса кривизны гибкого образца при исследовании остаточных напряжений.
Практическая значимость работы. Разработаны способы получения несплошных износостойких покрытий в вакууме: путем нанесения химического соединения с использованием сепарации ионно-плазменного потока испаряемого материала на элементарные струи, формирующие единичные участки покрытия (А.с. №1198983); комбинированным (КОМБИ) путем, состоящим из нанесения несплошного покрытия из металла с последующей модификацией всей поверхности в разряде (А.с. № 1292377, А.с. № 1598478).
На основании проведенных исследований разработаны:
Технологические рекомендации "Нанесение несплошного износостойкого покрытия из нитрида титана на режущий инструмент для обработки деталей" (7 5504 4010 597). "Технологический процесс нанесения несплошного износостойкого покрытия из нитрида титана на режущий инструмент в установке ЭПН - 3" (7 5504 4010 597). "Технологический процесс нанесения несплошного износостойкого покрытия нитрид титана на режущий инструмент в установке МИР - 2". (5 5504 4420 597) "Технологический процесс нанесения несплошного покрытия из нитрида титана в установке Булат - ЗТ на СМП (сменные многогранные пластины)". (8 1798 4010 598)
В методическом плане разработан графо-аналитический способ определения радиуса кривизны образца при исследовании остаточных напряжений методом гибкого образца. и В плане оборудования разработано техническое задание на проектирование вакуумной многофункциональной установки модульного типа, позволяющей проводить нанесение покрытий и химическую обработку в любой последовательности без разгерметизации вакуумной камеры, проведена модернизация установки ЭПН-3, позволившая в три раза повысить ее производительность (2-5549-4040-597), разработаны конструкторская документация на планетарное устройство для закрепления и вращения подложек в процессе нанесения покрытия на установках МИР-2 и МИР-4Ж и рекомендации по модернизации установки МИР-2 для обеспечения равнотолщинности наносимого покрытия в двух взаимоперпендикулярных плоскостях.
Материалы, способы получения и традиционные пути повышения адгезионно-когезионной прочности износостойких покрытий
Обеспечение надежности, долговечности деталей машин, технологической оснастки и инструмента являются важнейшими задачами современного машиностроения, позволяющими не только повысить производительность труда, но и значительно сократить потери дорогостоящих материалов, энергии, трудовых ресурсов.
Поставленные задачи на практике могут решаться как путем совершенствования конструкции, применением новых материалов, так и путем внедрения новых видов поверхностной обработки, включающих методы нанесения упрочняющих покрытий.
Последнее направление повышения работоспособности деталей и инструмента, является наиболее перспективным и экономически эффективным. Поэтому, вполне закономерно, что в последние годы у нас в стране и за рубежом этому направлению уделяется очень большое внимание, особенно проблеме получения новых видов упрочняющих покрытий.
Все покрытия разделяются на две большие группы: специальные, выполняющие определенные технические функции, и декоративные, придающие эстетическое оформление готовой продукции.
Классификация специальных покрытий производится по:
- назначению: оптические, антикоррозионные, токопроводящие и полупроводниковые, антифрикционные, жаростойкие, эррозионностойкие, износостойкие и т.д.
- типу структуры: твердые растворы, химические соединения, химические соединения и твердые растворы.
- виду структуры: столбчатая, равноосная, псевдоаморфная и аморфная.
В данной работе рассматриваются только износостойкие покрытия, работающие в высоконагруженных парах трения
Наибольшее распространение в качестве износостойких покрытий получили покрытия на основе соединений переходных металлов, которые образуют с неметаллами металлоподобные соединения, представляющие собой фазы внедрения с ковалентно-металлическими типами связи [1-5-3], впервые систематизированные Хеггом [4]. Самсонов, Уманский и другие, рассмотрев связь структуры фаз внедрения с исходной структурой [3, 5-И)], установили, что образование прочных химических связей в фазах внедрения происходит за счет внешних s-электронов и внутренних d-электронов [10-14].
Уникальность свойств соединений металлов IV VI групп Периодической системы элементов связанна с особенностями их кристаллического строения.
Во первых, характерной особенностью этих металлов является наличие у них дефектов электронов на внутренних электронных орбитах s, р, d, что делает их весьма восприимчивыми к приобретению электрона из любого источника. Таким источником могут быть межузловые атомы углерода, азота и кислорода. Между указанными электронными уровнями существует лишь небольшая разница в энергии, вследствие чего становится возможным взаимопереход электронов с одного уровня на другой. Эти переходы сильно зависят от температуры и давления.
Во вторых, большинство переходных металлов имеют достаточно большие радиусы атомов, и могут подчиняться правилу Хегга, согласно которому отношение радиуса атомов неметалла к радиусу атома металла меньше критического значения (0,59). Для металлов TV группы (Ті, Zr, Hf) вполне выдерживается правило Хегга, что приводит к образованию простых структур, в которых превалирует связь Ме-Ме. Атомы кислорода, азота и углерода рассматривать как вставленные в решетку атомов металла. Для металлов VI (О, Mo, W) и V (Va, Nb, Та) групп Периодической системы элементов, имеющих большой атомный радиус, нитриды и карбиды характеризуются более сложными структурами.
В третьих, большинство соединений переходных металлов имеют широкие области гомогенности, что позволяет в зависимости от содержания кислорода, азота или углерода достаточно сильно изменять их физико-механические свойства. Последнее обстоятельство очень важно с точки зрения возможности варьирования свойствами покрытия в зависимости от условий применения.
"Идеальное" несплошное покрытие
В главе описываются "идеальное" несплоншое покрытие, способы формирования несплошных поверхностных структур и их классификации. Обосновываются и определяются геометрические параметры несплошных покрытий, характер нагружения единичного участка, основные требования к несплошному покрытию и технологии его получения.
"Идеальное" несплошное покрытие - гипотетическое покрытие, которое, по мнению автора, не зависит от способа получения и обладает оптимальным набором физико-механических свойств, обеспечивающих максимальную адгезионно-когезионную прочность.
В "идеальном" случае единичный участок несплошного покрытия является половиной шара (рис. 2.1,а), что можно объяснить физическими законами каплеобразования расплавленного металла, при попадании брызг металла в жидкость или на "холодную" по отношению к расплавленному металлу поверхность. При быстром охлаждении брызги металла превращаются в капли шарообразной формы, которая обеспечивает капле наименьшую поверхность при определенной массе металла, т. е. уравновешиваются внутренняя и поверхностная энергии в капле и происходит, как бы, процесс "саморегулирования неживой природы" [10].
Топография "идеального" несплошного покрытия, т. е. взаимное расположение единичных участков (рис. 2.1,6 и в), имеет два варианта. В первом случае полушария размещены по методу плотной упаковки, т. е. каждое полушарие имеет по основанию 6 точек касания с соседними, во втором - 4 точки касания.
Для оценки топографии несплошного покрытия введен коэффициент сплошности, характеризующий степень заполнения обрабатываемой поверхности покрытием и определяемый по формуле;
На основании геометрических расчетов установлено, что Р для "идеального" несплошного покрытия не зависит от размеров единичного участка и имеет конкретное значение для каждого варианта размещения полушарий в не сплошном покрытии.
Несомненный интерес представляет изучение влияния внешних нагрузок на напряжения, возникающие в единичном участке "идеального" не сплошного износостойкого покрытия.
Рассмотрим пару трения, работающую с удельной нагрузкой q. На одну из поверхностей пары нанесено "идеальное" не сплошное износостойкое покрытие. Сила, действующая на единичный участок Ред, определяется.
Отечественные способы и оборудование для нанесения износостойких покрытий в вакууме
К условиям осаждения в вакууме несплошных износостойких покрытий относится:
- электрические характеристики разряда в парах испаряемого металла;
- рабочее давление в вакуумной камере;
- взаимное расположение формирующего несплошное покрытие сепаратора и поверхности подложки.
В главе рассмотрены отечественные способы получения износостойких покрытий в вакууме, обоснована конструкция и проведена оценка срока службы формирующего сепаратора, позволяющего получать несплошные покрытия в вакууме, приведены результаты исследований по нанесению несплошного износостойкого покрытия из нитрида титана на плоскую и цилиндрическую подложки, а также, результаты исследования по нанесению несплошного покрытия из чистого титана и других металлов.
Отечественные способы и оборудование для нанесения износостойких покрытий в вакууме.
В семидесятых годах двадцатого века в нашей стране были разработаны следующие способы получения износостойких покрытий в вакууме:
- конденсация с ионной бомбардировкой КИБ [228,229];
- реактивно-электронно-плазменный РЭП [104];
- магнетронно-ионное распыление МИР [230].
Краткая характеристика отечественного оборудования, реализующего указанные способы, и некоторые параметры технологического процесса представлены в таблице 3 Л. В основном оборудование предназначалось для упрочнения режущего инструмента. Следует отметить, что установки типа ПУСК во многом, а самое главное по типу испарителя, аналогичны установкам, реализующим способ КИБ. Одним из первых покрытий, наносимых в вакууме на режущий инструмент, является покрытие из нитрида титана, что связано с доступностью и дешевизной исходных продуктов, так как технология получения особо чистых титана, обладающего высоким сродством к азоту и способным гореть в нем [231], и азота, в настоящее время в достаточной степени отработаны.
Кроме того, Ті обладает наивысшей скоростью азотирования и наименьшей энергией активации по сравнению о Zr и Н/при азотировании, как в молекулярном, так и в активированном азоте [232]. Технология нанесения нитридтитанового покрытия в вакууме, при которой полностью отсутствуют экологические проблемы, является наиболее отработанной и, как следствие этого, наиболее стабильной.
На основании последних исследований [15, 233] в системе Ti-N установлено наличие следующих фаз: 5iN, ei2N и раствор азота в ai. Долгое время не было единого мнения о составе и структуре -фазы, которой приписывались формулы TtyV [15, 231, 234-236], Ti$ [234...236], Ті2.$ [237, 238], x-nfii2N [\1] и, наконец, si2N [15,233, 236].
Нитрид титана Ti2N менее изучен по сравнению с TiN. Причиной этому является очень узкая область гомогенности этого нитрида, что затрудняет получение его в чистом виде. Основными положительными свойствами нитрида титана (TiN) являются:
- высокая стойкость к окислению при высоких температурах [239];
- высокая температура плавления - 2950 ± 50С [18];
- малое отличие коэффициента термического расширения 9,8x10" град" при 25С [240], от коэффициента термического расширения, соответствующего металла - титана [9];
- высокая микротвердость 19...27 ГПа [14, 15,234,241... 247].
Использование ионного азотирования в промышленности и основные условия протекания плазмохимической реакции
Физическая сущность ионного азотирования может быть объяснена особым энергетическим состоянием газовой среды, обусловленным метастабильными нейтральными атомами азота и поверхности металла [115, 266, 267].
За рубежом ионное азотирование нашло широкое применение в Японии, США, Франции, Германии и других странах. Во Франции ионным азотированием ежегодно обрабатывается около 20 тысяч деталей.
Особенно широкое распространение данный метод нашел в автомобильной промышленности [268] и инструментальном производстве для упрочнения инструмента из быстрорежущих сталей и штампового инструмента [269], В настоящее время существует большой парк оборудования для ионного азотирования. В Европе значительный вклад в разработку оборудования вносит фирма Klockher Jonon (Германия) [270].
Установки данной фирмы оборудованы автоматическими системами поддержания разряда и дугогашения и снабжены устройствами программирования технологического процесса [271]. Для увеличения производительности оборудования для ионного азотирования в Японии предложено охлаждать детали после упрочнения с помощью инертного газа, циркулирующего через холодильник [272].
В России ионное азотирование нашло применение в автомобильной и инструментальной промышленностях [273...275]. Хорошо зарекомендовала себя установка "ИОН-30", предназначенная для упрочнения режущего инструмента.
Основными условиями ионного азотирования являются:
- состав и давление технологической газовой смеси в вакуумной камере;
- электрические параметры разряда, в котором происходит азотирование;
- температура подложки и время ее обработки;
- исходная толщина и структура покрытия.
Последний пункт относится только к ионному азотированию покрытий из чистых металлов.
Одним из необходимых условий для протекания плазмохимической реакции во время процесса ионного азотирования является достаточно высокая температура подложки порядка 400.. .600С [266, 267].
Нагрев подложки в вакууме с помощью теплового излучения является одним из старейших и наиболее распространенных способов. В данном способе широкое применение нашли нагреватели излучения резистивного типа, в которых нагревательные элементы разогреваются с помощью прямого пропускания через них электрического тока. В качестве нагревательных элементов, как правило, используются молибденовые полосы или вольфрамовые прутки, обладающие большим сопротивлением. Нагревателями подобного типа оснащены вакуумные установки, реализующие реактивно-электронно-плазменное (РЭП) напыление и магнетронно-ионное распыление (МИР) [104, 230].
Резистивные нагреватели располагаются в непосредственной близости от подложки, температура которой контролируется термопарным методом, и разогревают ее примерно до 700С. Конечная температура нагрева подложки зависит от ее массы, теплоемкости материала, из которого она изготовлена, и мощности самого нагревателя и электрической мощности источников его питания.
К положительным качествам данного способа нагрева подложки в вакууме можно отнести плавность и равномерность процесса нагрева подложки, дающие возможность разогрева мелкоразмерных подложек до требуемой температуры, и высокая точность контроля температуры подложки, присущая термопарным методам контроля температур, а к отрицательным - относительно медленные обезгаживание нагревателя и выход его на рабочий режим, и сам процесс нагрева подложек. Например, нагрев 8... 10 кг инструмента из быстрорежущей стали Р6М5 до Т=480С в установке ЭПН-3 и ее откачка до давления р= 1,3x10-ЗПа( 1 х 10 мм.рт.ст.) составляет примерно полтора часа.
Сравнительные испытания инструмента со сплошным и несплошным нитридтитановым покрытием и характер разрушения несплошного покрытия на режущем инструменте
Сплошное и несплошное нитридтитановое покрытия наносились на переднюю поверхность резцов на установке ЭПН-3 одновременно, за один цикл. Толщина покрытия составляла 10 мкм. Перед нанесением и после нанесения покрытия на резцах, измерялась твердость и микротвердость. Твердость резцов после нанесения покрытия не изменилась и составляла HRC = 64...66 ед. Микротвердость на резцах до нанесения покрытия была равна 6,5...7 ГПа. После нанесения нитридтитанового покрытия микротвердость на поверхности резцов была в пределах 17,5... 18,3 ГПа.
Характер разрушения сплошного и несплошного нитридтитанового покрытия изучался при точении стали 12Х18Н10Т. Испытания проводились на токарном станке мод. 1К62, без охлаждения со следующими режимами резания V = 9,85... 9,49 м/мин., S = 0,07 мм/об. и t = 0,5 мм. Изменение скорости резания связано с изменением диаметра обрабатываемой заготовки в процессе исследований. Заготовка длиной 600 мм была поделена на три равных части по 200 мм. На каждом диаметре заготовки на длине 200 мм проводилось точение резцом без покрытия и резцами со сплошным и несплошным покрытием. Износ резцов после обточки 200 мм заготовки замерялся по задней поверхности у вершины резца о помощью прибора МБС-3. Коэффициент увеличения стойкости резцов со сплошным и несплошным покрытием определялся как отношение среднего приведенного износа на единицу пути резания резцов со сплошным и не сплошным покрытием в исследуемых партиях к среднему приведенному износу на единицу пути резания резцов без покрытия. Характер разрушения покрытий изучался визуально при увеличениях хЮ и х20.
Сравнительные испытания проходных резцов без покрытия и со сплошным и несплошным нитридтитановым покрытиями показали, что сплошное покрытие повышает стойкость резцов из стали Р6М5 при точении стали 12Х18Н10Т на 37,5%, а не сплошное - на 93,3%. Результаты замеров и расчетов при определении коэффициента увеличения стойкости приведены в табл.5.1.
На рис. 5.1 приведены фотографии типичного разрушения сплошного и несплошного покрытии из нитрида титана на проходных резцах при одинаковой длине резания. Хорошо видно, что сплошное покрытие имеет тенденцию к отслоению в зоне резания. Разрушение же несллошного покрытия локализуется в зоне единичного участка.
Многогранные неперетачиваемые твердосплавные пластины из сплава Т15К6 ГОСТ 19048-80 испытывались при обработке стали 45 ГОСТ 1000-74. При испытаниях определялась стойкость пластин до износа по задней грани.
