Износостойкие покрытия

Износостойкие покрытия, наносимые на рабочие поверхности инструментов, предназначены для изменения поверхностных свойств инструментального материала в направлении снижения взаимодействия с обрабатываемым материалом и термодинамического напряженного состояния режущей части, а также взаимодействия на термо-ЭДС и тепловые потоки в зоне резания. В конечном счете, это приводит к повышению стойкости и прочности инструмента. Покрытий одним или несколькими слоями однородных и разнородных материалов, инструментальный материал становится композиционным со свойствами, иногда резко отличающимися от свойств основы. Повышение режущей способности поверхностного слоя исключает необходимость в использовании дефицитных и дорогостоящих компонентов в структуре основы, делает возможным использование для неё низколегированных материалов.

Наибольшее применение получили покрытия из окиси алюминия, карбидов и нитридов тугоплавких металлов, главным образом титана. Другие соединения используются редко в основном из-за сложности технологии получения и нанесения или дефицитности составляющих. Однако поиск их применимости необходим из-за уникальности свойств ряда соединений. Так, бориды и нитрид кремния резко пассивны по отношению к большинству обрабатываемых материалов и так же, как окись алюминия, отличаются пониженной слипаемостью и адгезией. Несмотря на хрупкость и несовместимость с инструментальными материалами, они из-за большой термоустойчивости полезны в многослойных композиционных покрытиях, выполняя функции барьеров для диффузии, окисления, перегрева.

Чем толще покрытие, тем выше твердость, а также устойчивость против диффузии и адгезии, меньше окисление и коррозия при нагреве в результате большой устойчивости инструментальной матрицы. Но при большой толщине растет количество макро и микродефектов в объёме покрытия – концентраторов напряжения.

Оптимальная толщина покрытий колеблется от 2 до 18 мкм.

Высокотемпературные (свыше 1000°С) методы нанесения покрытий (химическое осаждение) сопровождаются диффузионным взаимодействием наносимого конденсата и твердосплавной матрицы.

В результате, наряду с изменением поверхностных свойств инструмента, улучшаются глубинные прочностные свойства по всему объему материала. Толщина переходной диффузионной зоны составляет от долей до 6 микрометров. Низкотемпературное физическое осаждение покрытий дает слабое взаимодействие покрытия и матрицы, меньшую прочность их сцепления в сравнении с методами химического осаждения.

Сила трения и адгезионное схватывание при резании конструкционных сталей наименьшие при однослойном покрытии из Al2O3 при композиционном покрытии лучшие результаты показывают и для быстрорежущей, и для твердосплавной основы покрытия TiC – Al2O3, TiC — TiCN – TiN. В обозначениях покрытий указывают слои в направлении от матрицы инструмента к наружной поверхности.

Покрытия с Al2O3 в качестве наружного или «барьерного» слоев уменьшают окисление твердого сплава при нагреве. К ним относятся покрытия TiC – Al2O3 и TiC – AlO – TiN по сплаву ТТ10К8Б, повышающие температуру окисления с 600 до 1000°С.

Износостойкости покрытия способствуют сохранению высокой твердости инструментального материала при повышенных температурах. Так, покрытие TiN стали Р6М5 увеличивает микротвёрдость при нагреве до 600°С в сравнении со сталью без покрытия в два раза. До двух и более раз повышается микротвердость при нагреве от покрытия TiC твердого сплава ВК6, а от покрытия TiN – в 1,6 раза. Естественное старение и релаксационные процессы в покрытиях снижают со временем «горячую твердость».

Прочность при изгибе от нанесения покрытий, как правило, повышается, за исключением случая получения покрытий на твердых сплавах высокотемпературными методами, где имеет место снижение предела прочности при изгибе на 20…40%. Последнее связано с образованием толстой переходной зоны между покрытием и основной (от 2 до 6 мкм), вызывающей охрупчивание и разупрочнение. На быстрорежущих сталях снижение прочности на изгиб наблюдается при превышении толщиной покрытия значений 6…8 мкм, вследствие длительного воздействия высоких температур плазменного потока, вызывающих структурнофазовые изменения в металле. Аналогично при больших толщинах покрытия снижается ударно-циклическая прочность твердых сплавов из-за внутренних дефектов (микропор) в слое покрытия.

Свойства износостойких покрытий зависят от технологии их нанесения, Из химико-термических методов (ХТМ) образования покрытий можно отметить распространенный метод термодиффузионного насыщения – ДТ. Из методов химического осаждения покрытий – метод ХОП, карбидотитановое покрытие ГТ и метод вакуумного титанирования КВТК; из методов физического осаждения покрытий (ФОП) – метод конденсации в условиях ионной бомбардировки КИБ, а также методы реактивного электроннолучевого плазменного осаждения РЭ.

 

Учебное пособие «Резание материалов» В.Л. Вейц, В.В. Максаров, А.Г. Схиртладзе

Обновлено: 22.03.2019 — 10:15

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *