10.6. Износостойкие покрытия

Причина малого ресурса работы режущего инструмента связана преимущественно с быстрым износом или разрушением его рабочих поверхностей. Эффективным способом повышения стойкости режущего инструмента является нанесение на его рабочие поверхности износостойких покрытий.

Под словом "покрытие" понимают такое образование на поверхности инструментального материала, которое, существенно отличаясь по своим кристаллохимическим, физико-химическим и теплофизическим свойствам от соответствующих свойств инструментального материала (основы), значительно улучшает свойства последнего.

Основные требования, предъявляемые к покрытиям, учитывают условия работы инструмента, т. е. его служебное назначение. Покрытия должны обладать следующими свойствами:

• высокой твердостью, превышаю­щей твердость материала инструмента, и ее сохранение при высо­ких температурах;

• инертностью к адгезии с обрабатываемым материалом во всем диапазоне выбранных температур резания;

• устой­чивостью против высокотемпературной коррозии и окисления;

• стабильностью физико-механических свойств при температурах выше температур теплостойкости инструментального материала;

• инерт­ностью к растворению в обрабатываемом материале при высоких температурах;

• сопротивляемостью разрушению при значитель­ных колебаниях температур и напряжений.

Кроме того, специфические требования к инстру­ментальному материалу с покрытием обеспечивают единство композицион­ного тела. В этом случае материалы покрытия и инструмента должны иметь:

• сродство кристаллохимического строения, при котором возможно обеспечение прочной адгезионной связи между ними;

• оптимальное соотношение основных физико-механических и теплофизических характеристик.

В настоящее время распространение получили покрытия на основе карбидов, нитридов, карбонитридов тугоплавких металлов IV-VI групп Пе­риодической системы элементов. Некоторые из указанных соединений уже нашли широкое при­менение, в частности TiN, (Ti,Al)N, TiCN, (Ti,Cr)N и ряд других. Применение дру­гих соединений ограничено из-за крайней дефицитности ряда туго­плавких металлов и сложной технологии получения их соединений существующими методами.

TiN – является покрытием, получившим наиболее широкое промышленное применение. Этому способствовали относительно простая технология его получения, невысокая стоимость исходных материалов (титан почти на порядок дешевле остальных тугоплавких металлов, азот – наиболее доступный, дешевый и безопасный по сравнению с другими реакционными газами) и самое главное – высокие служебные характеристики. Нитрид титана обладает твердостью 24 ГПа, химической пассивностью по отношению ко многим обрабатываемым материалам, а его окисление начинается при температурах 550-600С.

TiCN – покрытие, обладающее более высокой твердостью и низким коэффициентом трения по сравнению с нитридом титана. В то же время это покрытие является достаточно хрупким. В зависимости от процентного соотношения реакционных газов в рабочем объеме (азот и углеродосодержащее соединение) в процессе формирования покрытия удается получать составы с изменяемыми свойствами. Карбонитрид титана часто наносится с увеличением доли углерода от сердцевины к поверхности многослойного покрытия.

Покрытие TiC характеризуется хорошей сцепляемостью с основой, высоким сопротивлением против абразивного и адгезионного износа в паре со сталью, но не предотвращает диффузионного взаимо­действия с ней.

CrN – покрытие, обладающее высокой пластичностью, хорошими трибологическими свойствами и химической инертностью к цветным металлам и сплавам. Использование CrN способствует уменьшению налипания на режущий инструмент мягких металлов, таких как алюминий, медь и сплавов на их основе. В то же время высокая температурная стойкость и сопротивление к окислению делают данное покрытие подходящим и для использования при обработке конструкционных и нержавеющих сталей, не содержащих большого количества хрома.

ZrN – покрытие, которое по свойствам и областям применения аналогично покрытию TiN, но имеет более высокую твердость и, как следствие, более низкую пластичность.

В настоящее время применяются различные методы нанесения износостойких покрытий на режущие инструменты. Наиболее широкое практическое применение получили методы физического осаждения покрытий ФОП (PVD) и химического осаждения покрытий ХОП (CVD).

В основе метода физического осаждения покрытий ФОП (PVD) лежит испарение вещества в вакуумное пространство камеры с подачей реакционного газа (N₂, O₂ и др.). Наибольшее распространение получил метод конденсации с ионной бомбардировкой (КИБ). Принцип работы заключается в испарении тугоплавких металлов и их сплавов электрической дугой в вакууме в присутствии реактивных газов и последующей конденсации с ионной бомбардировкой паров материалов на рабочих поверхностях инструмента в соединении с газами, которые образуются благодаря протеканию плазмохимических реакций.

Все процессы испарения, образования соединений, ионной бомбардировки и конденсации покрытия происходят в вакуумной камере, металлический корпус которой служит анодом. Катод изготовляют из тугоплавкого материала, подлежащего испарению. На рис. 47 представлена принципиальная схема установки для нанесения покрытия методом КИБ.

Рис. 47. Схема установки для физического осаждения покрытий: 1 – корпус вакуумной камеры; 2 – катод; 3 – источник питания разряда; 4 – электрод поджига; 5 – магнитная катушка; 6 – ввод газа; 7 – режущий инструмент;8 – источник опорного напряжения

Нанесение покрытий происходит при температурах порядка 300-550С в течение 20-80 мин. В качестве распыляемого материала (катода) используются тугоплавкие металлы IV-VI групп Периодической таблицы элементов (Ti, Cr, Mo, Zr, Al и др.), а в качестве реакционных газов применяют азот (N₂), метан (CH₄) и кислород (O₂). В результате получают покрытия соответственно в виде нитридов, карбидов, карбонитридов или оксикарбидов тугоплавких металлов.

Оптимальная толщина покрытия для быстрорежущего и твердосплавного инструмента составляет порядка 2-8 мкм. Главными достоинствами метода КИБ является обеспечение возможности получения острых режущих кромок и мелкозернистой структуры покрытия, а также исключением необходимости предварительного скругления режущих кромок (обязательного при применении CVD методов). В то же время этот способ имеет серьезный недостаток – силы адгезии не всегда достаточно для удержания покрытия на основе.

В России для нанесения покрытий методом КИБ были разработаны промышленные установки "Пуск" и "Булат". Расширение области использования метода ФОП (PVD) обусловлено его универсальностью с точки зрения получения гаммы монослойных, многослойных и сложнокомпозиционных покрытий, а также применимы как для твердых сплавов (напайного инструмента), так и для быстрорежущих сталей.

В основе метода химического осаждения покрытий ХОП (CVD) на режущих инструментах лежат гетерогенные химические реакции в парогазовой среде, окружающей инструмент, в результате которых образуется покрытие, конденсирующееся на его поверхности, формируя равномерный однородный слой. При химическом осаждении используются специальные установки, принципиальная схема которых представлена на рис. 48.

Осаждение покрытий на твердосплавные инструменты происходит в печи в присутствии водорода при температуре 900-1100С в результате взаимодействия газообразных галогенидов типа TiCl₄, AlCl₃ с составляющими смесей – азотом при осаждении нитридов тугоплавких металлов, метаном при осаждении карбонитридов и углекислым газом при осаждении оксидов.

Этот метод обеспечивает равномерное нанесение покрытий на все рабочие поверхности инструмента и обладает высокой производительностью, что делает его особенно привлекательным для массового производства. Средняя скорость роста толщины покрытия составляет около 10 мкм/ч.

Рис. 48. Схема установки для химического осаждения покрытий: 1 – баллоны с газом; 2 – контейнер с галогенидом; 3 – испаритель; 4 – печь; 5 – нагреватель; 6 – режущие инструменты

Тот факт, что процессы ХОП (CVD) реализуются при температуре 900-1100С, исключает возможность нанесения покрытий этим методом на инструменты из быстрорежущих сталей, поэтому основной областью его применения является твердосплавный инструмент.

Недостатком метода химического осаждения покрытий является необходимость предварительного округления режущих кромок инструмента. Преимуществом – то, что процессы ХОП (CVD) являются полностью контролируемыми и автоматизированными, они позволяют наносить высокооднородные покрытия на любую основу. При этом покрытия наносятся не только на многогранные твердосплавные пластины, но и на монолитный твердосплавный инструмент (сверла, концевые фрезы, метчики и др.).

Методом химического осаждения покрытий получают как традиционно используемые однослойные покрытия Al₂O₃, TiN, TiC, ZrN, TiCN, так многослойные сложнокомпозиционные покрытия, в которых каждый слой выполняет строго регламентированные функции.

Типичным представителем многослойного покрытия является TiC-TiCN-Al₂O₃. Использование барьерного (наружного) слоя из Al₂O₃ сдерживает диффузионные процессы и служит своеобразным термоизолирующим слоем, снижает склонность инструментального материала к окислению при высокоскоростной обработке. Карбид титана обладает кристаллохимической совместимостью с твердосплавной подложкой, а карбонитрид титана – хорошей связкой и используется для повышения прочности адгезионной связи между инструментальным материалом и наружным слоем покрытия.

Таким образом, нанесение износостойких покрытий на режущие инструменты является эффективным путем расширения их эксплуатационных возможностей. Сочетание вязкой основы, хорошо сопротивляющейся пластической деформации, с твердым износостойким слоем на контактных поверхностях обеспечивает высокую сопротивляемость инструмента различным видам износа и тем самым расширяет область его эффективного использования.

Рациональная область применения конкретного износостойкого покрытия определяется совокупностью его эксплутационных и технологических свойств, а также экономическими факторами. Идеального инструментального покрытия, одинаково пригодного для всего многообразия условий механической обработки, в настоящее время не существует. Поэтому в промышленности применяется большая номенклатура различных методов нанесения покрытий на режущий инструмент и широкая гамма самих покрытий.