Применение тонкослойных покрытий в качестве антифрикционных

Применение  тонкослойных покрытий в качестве антифрикционных, антиадгезионных слоев на поверхности металлорежущего инструмента с обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики изделий , в частности: увеличение срока службы инструмента до 1,5—10 раз, в 4 раза увеличивается износостойкость инструмента при обработке корозионностойких и жаропрочных сталей, при обработке резанием титановых и никелевых сплавов износостойкость инструмента увеличивается в 1,5—2,5 раза.

Качественные  изменения в изготовлении режущего инструмента связаны с интенсивным  развитием в конце прошлого века ионно-плазменных технологий нанесения  антифрикционных, антиадгезионных покрытий. На мировом рынке технологий по упрочнению поверхности инструмента всегда наиболее широко были представлены два метода: метод химического осаждения (Chemical Vapour Deposition — CVD) и метод физического осаждения покрытий (Physical Vapour Deposition — PVD). В странах СНГ более широкое промышленное применение получили PVD способы нанесения защитных покрытий, т.к. технологии CVD подразумевают использование дорогостоящих высокочистых химических реагентов (TiCU, NH₃ и т.д.) и прецизионных дозаторов химических прекурсоров, точный контроль продуктов химических реакций в рабочей камере и т.п. Нанесение PVD покрытий при помощи дугового или тлеющего разряда (магнетрона) обладает большей производительностью и не столь чувствительно к незначительным отклонениям технологических параметров. Каждый из применяемых на текущий момент методов физического осаждения имеет свои преимущества и недостатки, поэтому широкое распространение в последнее время получили различные гибридные методы напыления. Общие требования к этим технологиям — отсутствие селективного распыления мишеней, высокая степень ионизации и управляемая энергетика потока, возможность ионной очистки подложки. Многообразие применяемых в настоящее время способов физического осаждения износостойких покрытий характеризуется общей схемой: испарение или ионное распыление матреиала или его сплавов, ионизация и гетерогенная реакция на поверхности инструмента атомов и ионов металла и реакционного газа (например, азота), приводящая к формированию нитридных, карбидных, карбонитридных и других покрытий. Структуру и адгезию покрытий, а также их эксплуатационные характеристики определяет целый ряд факторов: повышение степени ионизации, скорости и плотности потока напыляемых частиц, оптимизация температуры нанесения покрытий, применение ионной очистки подложки, ускоряющих напряжений (смещения) и др. Применение того или иного материала для формирования покрытия (химический состав) не является гарантией повышения износостойкости. Различные режимы нанесения, конфигурация технологической оснастки, проведение предварительного ионного травления или легирования и многие другие особенности определяют структуру самих покрытий и строение межфазной границы «покрытие — подложка».

В начале 80-х  годов прошлого века начали применяться  и сразу же продемонстрировали экономическую  эффективность покрытия TiN. Следующим шагом было создание двухслойных покрытий, состоящих из последовательно нанесенных слоев карбида титана TiC или карбонитрида титана TiCN и тонкого поверхностного слоя оксида алюминия А1₂0₃. Перспективных вариантом на текущий момент являются многослойные покрытия типа TiC-TiCN-TiN. Причем понятие «многослойные» во многих случаях весьма условно, поскольку методы напыления позволяют добиться отсутствия четко выраженных межфазных границ между слоями, а также между покрытием и подложкой. Многослойные износостойкие твердые покрытия обладают повышенной трещиностойкостью, улучшенной адгезией, высокой ударной прочностью, меньшим уровнем внутренних напряжений и напряжений на границе «покрытие — подложка» вследствие выравнивания коэффициентов термического расширения. Например, покрытие TiCN имеет многослойную двухфазную структуру TiN-TiCN, что увеличивает прочностные и вязкостные характеристики по сравнению с покрытием TiN. В последнее десятилетие разработаны и широко применяются различные комбинации покрытий с применением тонких внешних твердосмазочных покрытий (например, TiAlN/MoS₂), обеспечивающих эффективный вынос стружки и хорошую приработку инструмента. Активно ведутся разработки аморфных углеродных покрытий в различных модификациях. Низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью обладают высокотвердые алмазоподобные покрытия (diamond like carbon coatings — DLC) [1-34]. Однако у данных покрытий имеется серьезный недостаток: очень высокий уровень внутренних напряжений, приводящий к охрупчиванию и отслаиванию при высоких контактных нагрузках и ограничивающий их эффективную толщину до ~ 1 мкм. Данные покрытия обладают низкой теплопроводность, которая приводит к локальной графитизации с последующим выносом углерода из этих областей. Верхний рабочий температурный предел алмазоподобных покрытий ограничен -250 °С, и требуется применение смазывающих охлаждающих жидкостей (СОЖ). Покрытия кубического нитрида бора (CBN) также обладают высоким уровнем внутренних напряжений, ограничивающих их толщину до ~ 0,1 мкм. Понятно, что тонкие износостойкие покрытия не могут существенно влиять на износ инструмента с невысокими механическими характеристиками. В этом случае поверхностные свойства нивелируются до уровня объемных механических свойств инструмента. Применение высокотвердого тонкослойного покрытия на подложке с низкими физико-механическими характеристиками эффекта не дает.  Малоэффективно нанесение износостойких покрытий на режущий инструмент из углеродистых нелегированных инструментальных сталей У8 (У8А) — У13 (У13А), которые не обладают высокой теплостойкостью (170—250 °С). Механизмы износа, при которых оправдано применение износостойких покрытий, имеют место преимущественно при высоких скоростях обработки. В случае применения покрытий для данного типа инструмента можно говорить о предотвращении ими окислительного изнашивания, обусловленного взаимодействием кислорода с материалом инструмента. В свою очередь, сверхтвердый алмазный инструмент, режущая оксидная керамика, кубический нитрид бора и т.п. используются в основном для финишной обработки. Покрытия здесь, как правило, не наносят, так как их твердость, трибологические свойства и химическая стойкость не превосходят аналогичные свойства материала инструмента.

 Таблица  1.

Физико-механические свойства наиболее распространенных покрытий токослойных покрытий, формируемых методами плазмохимии.

Износ режущего инструмента может быть уменьшен предварительным нанесением износостойких  покрытий только в том случае, если изначально в технологический процесс  механической обработки не заложены следующие механизмы разрушения материала самого инструмента:

• пластическая деформация, возникающая при неправильном подборе соотношения эксплуатационных параметров инструмента и твердости  материала инструмента;

• выкрашивание, возникающее при неправильно подобранном соотношении эксплуатационных параметров, вязкости и термообработки инструмента;

• трещинообразование, возникающее в результате несоответствия нагрузки на инструмент со значениями ударной вязкости.

Эффективность применения износостойких покрытий также существенно снижается  при использовании несовершенного станочного оборудования или же при  режимах обработки, предопределяющих ударное механическое Режущий инструмент, на который наносится покрытие, должен обладать высокими прочностными, теплофизическими характеристиками оговоренными соотвествующми нормативными документами (Гостами, Остами, ТУ и т.п.)., а также обладать высокой твердостью режущей кромки, превышающей твердость обрабатываемого материала, высокой адгезионной и абразивной износостойкостью. Износостойкие химически инертные покрытия наиболее целесообразно наносить на быстрорежущие стали и, в особенности, на высокотвердый высокопрочный металлокерамический — вольфрамо-карбидный и титано-вольфрамо-карбидный —твердосплавный (ТС) инструмент, применение которого в промышленно развитых странах приближается к 80%. Применением субмикронного карбида вольфрама (размер зерна менее 1,0 мкм) и износостойких покрытий удалось создать инструменты, которые с успехом используются для высокоскоростной обработки титановых сплавов, жаропрочных и нержавеющих сталей. Находят свое применение функционально_градиентные твердые сплавы на основе WC-Co с карбидными добавками (TiC, ТаС и др.), механические и физические свойства которых меняются по сечению инструмента (градиентные структуры), что позволяет оптимизировать его сопротивление неравномерно распределенным локальным нагрузкам и износу. Большинство обрабатывающего инструмента (до 70%) выпускается с предварительно нанесенными покрытиями. Данной проблематике посвящены и многочисленные научные исследования. Предлагаются как оригинальные способы напыления покрытий, так и разнообразные структурные решения и химические составы самих покрытий, межфазных границ «покрытие — подложка» и границ между различными слоями, если покрытие многослойное. В таблице 1 приведены физико-механические свойства некоторых из наиболее распространенных покрытий. Для определения эффективности использования режущего инструмента с износостойким покрытием необходимо определить механизмы износа, присущие конкретному процессу обработки. Износ рабочих поверхностей режущего инструмента зависит от физико-механических и химических свойств покрытия и обрабатываемого металла. Так, экспериментально установлено, что покрытие TiN по сравнению с покрытием TiC быстрее изнашивается при обработке чугунов, но является более стойким при повышенных скоростях обработки углеродистых сталей и других материалов. Скорость резания, распределение нагрузки на контактируемых поверхностях и наличие СОЖ определяют температуру резания, контактные напряжения, химические реакции в зоне резания и наличие диффузионных процессов между инструментом и обрабатываемым металлом. Можно выделить три основных механизма изнашивания инструмента, протекающих непосредственно в зоне контакта с обрабатываемой поверхностью.

• Абразивное изнашивание боковой поверхности  твердыми включениями (карбиды, зерна  цементита, интерметаллиды, оксиды), воздействующими на поверхность инструмента.

• Диффузионное изнашивание, определяемое процессами взаимной диффузии инструментального  и обрабатываемого материалов. Сопровождается растворением карбидов (в основном карбидов вольфрама) с последующим  прямым диффузионным растворением элементов  диссоциации в обрабатываемом материале. При повышенных температурах материал инструмента «растворяется» в стружке  и «вымывается» в виде кратера  в месте контакта с ней.  Так  называемое адгезионно-усталостное  изнашивание, определяемое типом обрабатываемого  материала и коэффициентом трения в зоне контакта. Локальная сварка в зоне контакта инструмента   с обрабатываемой поверхностью в  значительной степени соотносится  с механизмом диффузионного износа. Повторяющееся  циклическое возникновение  и разрыв адгезионных связей подвергают переднюю часть инструмента многократному  влиянию касательных и нормальных нагрузок, приводящих к развитию трещинообразующих дефектов в граничных объемах инструмента. Режущий инструмент подвергается всем вышеперечисленным видам износа, и применение в качестве барьера диффузионному и адгезионному износу химически инертных высокотвердых покрытий на основе карбидов, нитридов, карбонитридов и т.п. может в несколько раз повысить износостойкость и срок его службы.

Критическим фактором выхода инструмента из строя  является температура, которая возрастает с увеличением скорости обработки  материала. Высокоскоростная металлообработка приводит к сокращению теплоотвода  в инструмент и к увеличению разогрева  стружки. Обычно с возрастанием скорости резания повышается температура  обрабатываемого металла (включая  тонкую стружку) и инструмента. Однако при достижении достаточно высокой  скорости обработки (определенной для  каждого материала инструмента  и обрабатываемого металла) температура  режущих кромок практически не изменяется, так как до 70% тепла, образующегося  в зоне контакта, отводится со стружкой, а теплоперенос в металл заготовки  и инструмента минимален. Применение защитных покрытий может существенно  снизить температуру и обеспечить возможность высокоскоростной обработки  при относительно невысоких температурах. Повышение скорости резания приводит к превалированию механизмов адгезионного и диффузионного износа переднего  угла режущего инструмента, который  происходит на межфазной границе  «инструмент — стружка». Диффузия обрабатываемого материала в  кобальтовую связку твердого сплава приводит к ее разупрочнению и  катастрофическому разрушению инструмента. Нанесение защитного покрытия препятствует образованию прочной диффузионной связи и протеканию взаимной диффузии обрабатываемого и инструментального материалов, при которой происходит диссоциация карбидов вольфрама и последующая диффузия продуктов распада в обрабатываемый материал. При высоких скоростях обработки невозможно снизить температуру резания (в зоне непосредственного контакта) подачей охлаждающей жидкости. Целесообразность использования охлаждающей эмульсии на водной основе при высокоскоростном резании увеличивается с уменьшением скорости резания. Однако применение охлаждающей жидкости приводит к высокоамплитудным резким колебаниям температуры, что неблагоприятно сказывается на механических свойствах инструмента. Востребованным остается только смазывающее действие СОЖ, позволяющее отбрасывать стружку. Геометрия специального инструмента, предназначенного для высокоскоростной обработки, рассчитана на далекий вынос раскаленной стружки. Применение же износостойких высокотвердых покрытий обеспечивает снижение абразивного, диффузионного и адгезионноусталостного износа инструментального материала, а низкий коэффициент трения также обеспечивает быстрое удаление раскаленной стружки.

В развитых странах разрабатываются программы  и законодательные нормативы, стимулирующие  постепенный отказ от использования  СОЖ. Подсчитано, что их стоимость  составляет приблизительно 16% от стоимости  продукции металлообработки, а общие  затраты на использование СОЖ  составляют несколько миллиардов долларов только в США. Более 71 миллиарда йен  тратится на СОЖ ежегодно в Японии. Кроме того, непрямые расходы включают в себя огромные затраты по предотвращению вредного воздействия продуктов  испарения и отходов СОЖ на человека и окружающую среду.

Развиваются два подхода к решению этой проблемы. Первый — создание новых  жаропрочных керамических материалов (в том числе многослойных и  композиционных, на основе кубического  нитрида бора и др.). Применение данных материалов в промышленных масштабах  ограничивается их высокой стоимостью. Второй подход заключается в использовании  высокопрочных твердых покрытий, обеспечивающих снижение температуры  в зоне резания за счет уменьшения коэффициента трения и хорошего теплоотвода. Наиболее широко применяются покрытия TiAIN (50/50TiAlN, 30/70 TiAIN и др.), которые во многих случаях обеспечивают режимы обработки без использования СОЖ при значительном увеличении срока службы. Преимущество данных покрытий состоит в том, что они, сохраняя высокую твердость при повышенных температурах, обладают низким (по сравнению с покрытием нитрида титана) коэффициентом трения, а также стойкостью к окислению при повышенных температурах (до 700 °С) и относительно высокой теплопроводностью, что при непрерывном режиме резания обеспечивает улучшенный теплоотвод и предотвращение отслаивания покрытия. Улучшенные триботехнические характеристики и высокая стойкость к окислению данных покрытий обеспечиваются тонким поверхностным слоем оксида алюминия. Производители инструмента отдают предпочтение покрытию TiAlN, поскольку при многих прочих равных свойствах стехиометрию и воспроизводимость нанесения карбонитридных покрытий (например, TiCN) сложнее контролировать. Нитридные покрытия более технологичны в изготовлении, и можно сказать, что TiAIN и его модификации (30/70 TiAlN, TiAlCrN, TiAlCrYN и т.п.) становятся наиболее распространенными в мировой индустрии плазмохимических покрытий и широко используются в различных многослойных комбинациях (TiN/TiAlN и т.п.).

Принципиально новым вариантом можно считать  двухслойное покрытие на основе TiAlN, у которого внешний слой состоит из твердосмазочного MоS₂, обеспечивающего свободное удаление стружки и более высокое качество реза. Данные покрытия не следует относить к классу многослойных, поскольку пленка дисульфида молибдена диссоциирует при относительно низких температурах (~300 °С) и несет вспомогательный смазочный характер за счет низкого коэффициента трения. Очень часто первоначальный этап контактирования режущей кромки с обрабатываемыйм металлом (приработка) заканчивается частичным или полным разрушением твердого износостойкого покрытия, и внешнее твердосмазочное покрытие обеспечивает начальную приработку для последующего высокоскоростного резания. Твердосмазочное покрытие, сохраняясь на периферии контакта, обеспечивает эффективное удаление стружки из зоны резания.