Износостойкие покрытия (ИП) широко используются в инструментальной промышленности для повышения работоспособности режущего инструмента (РИ) [1]. В своем развитии ИП прошли этапы от простых однокомпонентных покрытий (TiN, CrN и др.) до многослойных покрытий (МП), включающих слои как простого, так и сложного состава. Важным и наиболее эффективным направлением совершенствования ИП на основе нитрида титана TiN является их упрочнение за счет изменения химического состава, что достигается путем введения легирующих элементов (Zr, Mo, Cr, Al, Si и др.), изменения состава смеси реакционных газов (добавки ацетилена или кислорода) и за счет сочетания указанных методов.
На кафедре «Металлорежущие станки и инструменты» Ульяновского государственного технического университета разработаны оригинальные технологии нанесения ИП TiZrN, TiFeN, TiMoN, TiSiN и др, позволяющих повысить период стойкости РИ в 1,5 - 4 раза по сравнению с ИП TiN [3]. Для нанесения ИП на основе титана и алюминия разработан составной катод специального типа, конструкция и способ изготовления которого защищены патентом [2]. Кроме этого разработаны конструкции и способы получения ряда других сложных ИП на основе нитридов соединений тугоплавких металлов и неметаллов:.
Следует отметить, что изменение состава газовой среды при конденсации ИП за счет добавления к азоту ацетилена или одновременно ацетилена и кислорода (с целью получения соответственно карбонитридов и оксикарбонитридов, например, TiZrСN, TiAlCN, TiSiСN, TiOCN и др.) позволяет дополнительно повысить работоспособность РИ в 1,5 и более раз по сравнению с аналогичными нитридами (простыми и легированными) [3].
Дальнейшее развитие легированных ИП идет по пути разработки нитридов и карбонитридов на основе тройных систем металлов и неметаллов. Примерами таких ИП являются соединения типа TiZrFeN, TiZrMoN, TiZrCrN, TiZrSiN, TiZrAlN и др. Введение дополнительного элемента позволяет решать ряд специфических задач, например, снижать или повышать остаточные сжимающие напряжения в ИП, увеличивать микротвердость, повышать прочность сцепления ИП с инструментальной основой и т.д. В частности, установлено, что введение в состав ИП железа способствует снижению остаточных напряжений и повышению прочности сцепления ИП с основой, а применение в качестве легирующего элемента молибдена увеличивают микротвердость и т.п. Данные сложнолегированные ИП позволяют повысить период стойкости РИ в 1,5 - 1,7 раза по сравнению со сложными ИП на основе двойных систем (TiZrN, TiAlN и т.п.). Кроме этого, создание ИП на основе тройных систем позволяет варьировать их свойства в более широком диапазоне, что важно при конструировании МП со слоями различного функционального назначения.
Наиболее перспективным направлением совершенствования ИП представляется разработка многослойных покрытий, позволяющих наиболее полно учитывать сложные условия процесса резания. Применение МП позволяет более эффективно решать такие проблемы как повышение трещиностойкости, прочности сцепления покрытия и инструментальной основы, микротвердости и износостойкости. При этом возможно конструирование МП как с учетом материала инструментальной основы (быстрорежущая сталь или твердый сплав), так и с учетом условий износа и разрушения РИ (непрерывное или прерывистое резание).
В конструкции МП, как правило, нижний слой (прилегающий к основе) выполняет роль адгезионного и либо включает элементы инструментальной основы (например, железо в случае ИП для РИ из быстрорежущей стали [4]), либо снижает перепад напряжений на границе основы и ИП и имеет наибольшее среди ИП химическое сродство с основой (в частности, TiCN специального состава в случае ИП для РИ из твердого сплава [5]).
Назначение верхнего слоя МП меняется в зависимости от условий резания: при прерывистом резании он должен обеспечивать наименьшее трение и снижение тепловыделения, при непрерывном - иметь наибольшую твердость и износостойкость.
Кроме двух перечисленных слоев МП может включать и другие, которые предназначены для торможения трещин, диффузии элементов инструментального и обрабатываемого материалов и др. Примером таких МП могут служить TiN-TiZrN (МП для твердосплавного РИ, работающего в условиях непрерывного резания), (Ti - Zr - Fe) +TiZrFeN + TiZrN (МП для быстрорежущего РИ широкого спектра применения), TiCN-TiZrN-TiN (МП для твердосплавного РИ, работающего в условиях прерывистого резания [6]). Применение МП позволяет в 1,5 - 3,0 раза повысить период стойкости РИ по сравнению с наиболее эффективными легированными однослойными ИП.
Таким образом, совершенствование технологии нанесения ИП для РИ, разработка новых конструкций одно- и многослойных ИП позволяет существенно повышать работоспособность различных РИ и расширять область эффективного применения РИ с ИП.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Балков В.В. Износостойкие покрытия режущего инструмента: состояние и тенденции развития / В.В. Балков, В.С. Башков //Вестник машиностроения. - 1999. - № 1 - С. 31 - 33.
- Патент № 2221079 РФ, МКИ7 С 23С 14/00 В 22D 18/02. Катод электродугового испарителя и способ его получения / В.П. Табаков, Н.А. Ширманов, Н.Ю. Толубаев, А.В. Циркин. - 2004. - Бюл. № 1.
- Табаков В.П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана. - Ульяновск: УлГТУ, 1998. - 122с.
- Табаков В.П., Рандин А.В., Афанасьев М.Е. Разработка технологии нанесения износостойких покрытий с повышенными адгезионно-прочностными свойствами //Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций: Материалы 5-й Международной практической конф.-выставки. Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2003. С. 235 - 238.
- Циркин А.В. Разработка многослойного покрытия для торцовых фрез //Вестник Ульяновского государственного технического университета (Вестник УлГТУ). - 2003. - № 3 - 4. - С. 33 - 35.
- Патент № 2219281 РФ, МКИ7 С 23С 14/00, 14/06. Способ повышения стойкости режущего инструмента / В.П. Табаков, Н.А. Ширманов, М.Ю. Смирнов, А.В. Циркин. - 2003. - Бюл. № 35.