МЕТОДИКА МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ И СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

METHOD OF MICROLEGING AND METHOD OF APPLICATION OF WEAR-RESISTANT COATING OF CUTTING TOOL

Umida Turaeva

Undergraduate, Department of Engineering Technology, Bukhara Engineering Technological Institute,

Uzbekistan, Bukhara

Ruzimuratova Zarina

Undergraduate, Department of Engineering Technology, Bukhara Engineering Technological Institute,

Uzbekistan, Bukhara

Kalandarov Navruz

teacher, Bukhara Engineering Technological Institute,

Uzbekistan, Bukhara

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается влияние приповерхностного слоя основы, модифицированного при помощи микролегирования низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком, и верхнего антифрикционного слоя в многокомпонентном покрытии на особенности изнашивания сменных многогранных пластин при сухом резании труднообрабатываемых никелевых сплавов.

ABSTRACT

The article considers the influence of the near-surface layer of the base, modified by micro-alloying with a low-energy high-current electron beam, and the upper anti-friction layer in a multi-component coating on the wear characteristics of replaceable polyhedral plates during dry cutting of difficult-to-process nickel alloys.

Ключевые слова. Упрочнения твердых сплавов износостойкое покрытие, фрезерная пластина, сплав, микролегирования, генерация, микротвердость.

Keywords. Hardening of hard alloys, wear-resistant coating, milling plate, alloy, micro alloying, generation, micro hardness.

Одним из перспективных направлений упрочнения твердых сплавов является создание на их поверхности слоистых структур, обеспечивающих градиентное расределение физико-химических свойств между износостойким покрытием и материалом основы.

Для проведения экспериментов была использована сменная многогранная фрезерная пластина (СМП) без покрытия с мелкозернистой основой из сплава Н13А с хорошим соотношением износостойкости и прочности производства Sandvik (N15, S20, K25). Сплав удобен для изучения процессов упрочнения твердосплавного инструмента, в том числе поверхностного легирования, так как он является одним из самых простых по химическому составу, что облегчает изучение структурных особенностей модифицированного материала.

Часть образцов перед нанесением износостойкого покрытия подвергалась операции микролегирования приповерхностного слоя. Обработка проводилась в установке «РИТМ-СП», которая представляет собой комбинацию источника низкоэнергетических сильноточных электронных пучков (НСЭП) «РИТМ», и двух магнетронных распылительных систем на единой вакуумной камере. Установка позволяет осуществлять напыление пленок на поверхность нужного изделия и последующее жидкофазное перемешивание материалов пленки и подложки интенсивным импульсным электронным пучком [1]. Генерация НСЭП включает в себя эмиссию электронов, образование пучка в плазмонаполненном диоде и его транспортировку в плазменном канале. Использование такой схемы генерации позволяет получить пучок микросекундной (около 5 мкс) длительности с плотностью тока до 10⁵ А/см² при ускоряющем напряжении от 15 до 30 кВт. При этом площадь единовременной обработки составляет около 50 см².

Нанесение на поверхность инструмента тонкого слоя карбидообразующих элементов, в нашем случае Nb, Hf и Ti, перед обработкой электронным пучком позволяет за счет микролегирования при протекании экзотермической реакции между металлом пленки и углеродом, содержащимся в подложке, получить многофазную структуру. Благодаря дополнительному выделению тепловой энергии, успевают произойти взрывные химические реакции. Внешний слой обогащается тугоплавкими карбидными фазами типа МС, которые, благодаря экстремально высокой скорости охлаждения, в конечном продукте остаются мелкими и гомогенно распределенными.

К тому же такие соединения, как γ-WC, TiC, NbC и HfC с однотипной ГЦК структурой имеют возможность образовывать нестехиометрические структуры, диапазон нестехиометрии которых варьируется от 0.5 до 0.97 и эффектов, связанных с обезуглероживанием поверхности, можно избежать [2]. Максимальная толщина, в которой удается получить модифицированную структуру, составляет 3-4 мкм. Чтобы превращение прошло полностью, как правило, бывает достаточно серии из пяти-шести импульсов НЭСП.

Покрытие наносилось на установках π80+ и π311+DLC компании Platit. Испытывались пластины со следующими покрытиями:

Многослойное покрытие TiAlN-ML (фирменное название), представляющее собой чередующиеся слои нитридной фазы, отличающиеся содержанием Al и Ti, выращенные на адгезионном слое из TiN. На них наносится градиентный слой (TiAl)N с равномерно увеличивающейся концентрацией нитрида алюминия к поверхности покрытия. Микротвердость такого покрытия HV₁₀₀ составила 2850 [3].

а)                                                                 б)

Рисунок 1. Шлифовальные изображения покрытий. а) TiAlN-ML, б) nATCRo³

В ряде экспериментов на покрытие TiAlN-ML наносилась алмазоподобная (DLC) пленка с адгезионным слоем из нитрида хрома (CROMVIc) толщиной около 2 мкм. Она представляет собой сформированную в плазме тлеющего разряда, метастабильную форму аморфного углерода, содержащую фракцию с sp³ гибридизацией (significant fraction of sp³ bonds) с низким (μ ~0.1) коэффициентом трения, содержание которой в нашем случае составляло по данным рентгеновского фото-электронного спектрометра K-Alpha примерно 13% (Рис.2).

Рисунок 2. Спектр характеристических линии углерода и кремния с DLC покрытия

Вывод. Таким образом покрытие nATCRo³ с микротвердостью Нμ₁₀₀ = 3450, представляет собой комбинацию адгезионного слоя состава CrTiN, градиентного покрытия AlTiN и многослойного нанокомпозитного покрытия (nc-AlTiCrN/a-Si₃N₄). Двухфазный наноструктурированный слой покрытия с размером зерен AlTiCrN до 5 нм, на границах которых располагается аморфная фаза Si₃N₄, сдерживает коагуляцию зерен основной фазы как при осаждении покрытия, так при работе инструментом. Межфазные границы, являющиеся зоной интенсивной диссипации энергии, отклоняют образующиеся трещины от направления движения, частично или полностью их тормозят, что ведет к упрочнению материала.

Список литературы:

1. Markov A.B., Yakovlev E.V., Petrov V.I., Formation of Surface Alloys with a Low-Energy High-Current Electron Beam for Improving High-Voltage Hold-Off of Copper Electrodes, IEEE Transations on Plasma Science, 2013, v 41, 2177-2182.
2. Fedorov S.V., Oganyan G.V., Special Features of Electron-Beam Alloying of Replaceable Polyhedral Hard-Alloy Plates Under a Complex Surface Treatment, Metal Science and Heat Treatment, 2016, v. 57, Issue 9-10, 620-624.
3. A. Lümkemann, M. Beutner, M. Morstein, M. Köchig, M. Wengler, T. Cselle, B. Karpuschewski, A New Generation of PVD Coatings for High-performance Gear Hobbing, The “A” Coatings Conference, Thessaloniki, Greese, Oct 1-3, 2014.