1.2 Установка для нанесения покрытий cvd методом
Установки выпускаются несколькими фирмами. Один из лидеров – фирма IonBond/Bernex (рисунок 1.2). Действие этих установок состоит в том, что все наносимые компоненты поступают в рабочую камеру в газообразном состоянии. Металлы, в частности, применяются в виде легко испаряемых хлоридов, например хлоридов титана (TiCl4) или алюминия (AlCl3) (рисунок 1.3). Необходимый для создания карбидов углерод получается из метана (CH4), азот для нитридов – из аммиака (NH3) или молекул азота (N2), кислород для оксидов – из углекислого газа (CO2) [2].
Рисунок 1.2 Установка для нанесения покрытий методом CVD
Bernex BPXpro 530 L-T [2]
Рисунок 1.3 Схема установки Bernex BPXpro 530 L-T [2]
В рабочей камере происходит химическая реакция, в результате которой образуется твердое вещество покрытия и газообразный продукт.
Компоненты для реакции переносятся потоком газа-носителя, в качестве которого используются аргон или водород. Образующиеся в результате реакции соединения осаждаются на покрываемый материал. Этому способствует создаваемое в рабочей камере разряжение. Остатки газов отсасываются, охлаждаются и сбрасываются наружу после фильтрации. Загрузка деталей с хорошим доступом осуществляется вне зоны реакции, имеющей форму колокола. Эта зона открывается снятием колокола вместе или раздельно с частью печи с системами нагрева и охлаждения (рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 Колпак установки CVD Bernex BPXpro 530 L-T [2]
Для крупносерийного производства применяются системы с несколькими рабочими позициями – для загрузки и выгрузки; для нагрева и нанесения покрытия; для охлаждения.
Материал, на который наносится покрытие, размещается на графитовых подставках (тарелках) с пазами (газовыми каналами), которые ставятся одна над другой в зону нанесения покрытия (рисунок 1.5). Газ распространяется равномерно (без мертвых зон) и образует однородное покрытие с хорошей сцепляемостью с основным материалом. Методом CVD наносятся, в основном, покрытия TiN, TiCN (заменившее TiC) и Al2O3. Последнее керамическое покрытие, поскольку не является электропроводным, может быть нанесено только методом CVD [2].
Рисунок 1.5 Компоновка садки на графитовых «тарелках» [2]
Преимущества метода CVD (простота загрузки, отсутствие длительной подготовки и необходимости поворота изделий в технологическом процессе) делают его экономически выгодными при нанесении покрытий на большие партии малоразмерных изделий (пластин).
1.3 Области применения cvd-покрытий
Покрытия получаемые на установке Bernex BPXpro 530 L-T, из-за высоких температур процесса, наносятся на твердые сплавы и керамику и предназначены, в основном, для металлообработки (резание, фрезерование, точение и прочие) [2].
В мировой практике металлообработки все большее применение находят инструментальные материалы с покрытиями. Тонкие «пленочные» покрытия, толщиной от 2 до 10 мкм, наносят на поверхность заточенного и доведенного инструмента из твердого сплава и режущей керамики, которые позволяют улучшить ряд служебных характеристик инструмента и значительно изменить условия его работы. Снижение сил и температур резания на 20…40 %, позволяет повысить стойкость режущего инструмента в 2 и выше раз, или увеличить скорость резания от 20 до 60% и значительно улучшить шероховатость обработки [3].
К износостойкому покрытию для режущего инструмента предъявляется ряд требований:
1) высокая микротвердость, в 1,5…2 раза превышающая твердость инструментального материала;
2) высокая износостойкость (т.е. необходимо обладать сопротивлением к поверхностному усталостному разрушению);
3) низкая склонность к адгезии (химическому взаимодействию) с обрабатываемым материалом;
4) сохранение основных свойств, при высоких температурах (быть устойчивым против коррозии и окисления);
5) минимальная способность к диффузионному растворению в обрабатываемом материале;
6) высокая прочность сцепления с инструментальным материалом.
Ряд требований носит противоречивый характер, например низкую адгезию к обрабатываемому материалу и высокую прочность сцепления с инструментальным материалом. При резании сталей, в основе которых содержится железо, инструментом из быстрорежущей стали в основе которой также содержится железо целесообразнее всего наносить многослойные или композиционные покрытия. У многослойных покрытий нижний слой, прилегающий к инструментальному материалу, обеспечивает прочное сцепление с ним, а верхний - минимальное схватывание с обрабатываемым материалом. Промежуточные слои могут выполнять роль связующих слоев, слоев с тепловыми барьерами или слоев препятствующих продвижению трещин при разрушении покрытий. Композиционные покрытия – это покрытия изменяющие свой состав и свойства по толщине: например для быстрорежущего инструмента состав покрытия может постепенно переходить от нитрида циркония (ZrN), обеспечивающего наилучшее сцепление с инструментальной подложкой, к нитриду ниобия (NbN), дающего аномально низкое схватывание с железосодержащими обрабатываемыми материалами [3].
Для многослойных покрытий (таблица 1.1) прочность и износостойкость зависят от химического состава и физико-механических свойств материала слоев. Например, двухслойное износостойкое покрытие может состоять из карбидов титана TiC (нижний слой) и боридов титана TiB2 (верхний слой). В качестве подложки используют твердые сплавы на основа WС и Со с достаточно высокой прочностью и твердостью (до 1800 HV), которая в диффузионной зоне повышается (до 2200 HV).
На режущие пластины может быть нанесено трехслойное покрытие из TiN со следующими слоями: первый – из TiC толщиной 2…3 мкм, второй – из смеси TiC и TiN, третий – из TiN толщиной 2…3 мкм.
Многослойное покрытие из карбонитридов и карбида титана при общей толщине слоя до 10 мкм может состоять из нескольких очень тонких слоев. Наружный слой образует очень стойкий к износу и диффузии карбонитрид титана. Под этим располагается несколько промежуточных слоев из карбонитридов титана различного состава. Нижний слой из карбида титана обеспечивает прочное сцепление с основой. Наружный слой придает покрытию золотистый оттенок [4].
Тонкий защитный слой, наносимый на поверхность твердосплавной режущей пластины, обладает низкой теплопроводностью. Он уменьшает силу трения на поверхности контакта инструмент-стружка. Это приводит к снижению температуры рабочей поверхности и, следовательно, к уменьшению скорости диффузионного изнашивания. Кроме того, защитный слой выполняет роль барьера, препятствующего диффузии и уменьшающего схватывание металлов инструмента и стружки. Степень уменьшения скорости изнашивания зависит от свойств материала защитного слоя. Изнашивание по задней поверхности становится значительно меньше при замене защитного слоя из TiN защитным слоем из TiC. Многофазное защитное покрытие, в котором каждый отдельный тонкий слой имеет определенное назначение, обеспечивает улучшение вязкости и износостойкости режущих пластин.
На рисунке 1.6 в показан разрез типовой структуры твердого сплава с
покрытием. Рисунок 1.6 б показывает схему последовательности «наложения» слоев: нижний TiC, промежуточный (черный) Al2O3 и верхний (золотого цвета) TiN, отличительной особенностью здесь является то, что на передней рабочей поверхности (рисунок 1.6 а) верхний слой TiN удален при помощи методов шлифования. Это делается с целью предотвращения распространения микротрещин, которые образуются при охлаждении изделия из-за разности коэффициентов термического расширения твердого сплава и материала покрытия. В результате данного технологического решения увеличивается стойкость покрытия к растрескиваниям и разрушению. [5]
а б
в
а - твердосплавная пластина с покрытием; б - схема «наложения» слоев покрытия; в - схема структуры покрытия.
Рисунок 1.6 Разрез типовой структуры твердого сплава с покрытием [5]
На рисунке 1.7 представлены сменные многогранные пластины из твердого сплава с покрытием для скоростного точения отливок из стали и чугуна при тяжелых условиях резания. Параметры работы (глубина резания – подача) данных пластин ограничиваются областью на графике. Большое значение имеет рисунок рабочей поверхности пластин, способствующий направленному удалению стружки, минимизации поверхности контакта с обрабатываемым материалом и беспрепятственной подачи СОЖ (смазывающей охлаждающей жидкости) к месту контакта режущей кромки с обрабатываемым материалом [5].
Рисунок 1.7 Сменные многогранные пластины из твердого сплава с покрытием [5]
Ниже представлены примеры использования твердосплавных изделий с покрытием (рисунок 1.8). Основное направление работ – это резание (рисунок 1.10), сверление, фрезерование (рисунок 1.9), точения, нарезания резьбы и другие операции обработки материалов из различных марок сталей и чугунов, а так же цветных сплавов.
Рисунок 1.8 Державки с со сменными пластинами и сверлами изготовленных из твердого сплава с покрытием [5]
Рисунок 1.9 Фрезерование заготовки из стали [5]
Рисунок 1.10 Операция по обработке уступа [5]
На рисунке 1.11 представлена инновационная конструкция державки сменной многогранной режущей пластины для операций точения труднообрабатываемых материалов со встроенной системой подачи СОЖ под высоким давлением непосредственно в зону резания. Направленная подача СОЖ под высоким давлением влияет на распределение тепла, образование стружки, налипание материала на инструмент и износ режущей кромки, от которых напрямую зависят стойкость инструмента, стружкодробление, качество и производительность обработки [5].
Рисунок 1.11 Державка с подачей СОЖ под высоким давлением [5]
Таблица 1.1 Композиции покрытий, получаемых на установке Bernex BPXpro
530 L-T [6]
Обозначение |
Тип покрытия Цвет Структура |
Состав. Толщина слоев, μ |
Особенности применения |
BERNEX D (точение) |
MT TiCN Золотой Мульти слой |
TiN - 1 |
Точение углеродистой, легированной, нержавеющей стали, стального и чугунного литья. Средняя скорость резания. |
MT TiCN - 9 |
|||
TiN - 1 |
|||
Средняя толщина - 12 |
|||
BERNEX F |
MT TiCN Золотой Мульти слой |
TiN - 1 |
Фрезерование легированных сталей. Средняя скорость резания. |
MT TiCN - 4 |
|||
TiN - 1 |
|||
Средняя толщина - (4-6) |
|||
HSA (скоростное резание) |
Alpha Al2O3 Черный Мульти слой |
α Al2O3 - 6 |
Высокоскоростное резание. Черновая обработка заготовок из прутка. Абразивные и тепловыделяющие операции. Обработка отливок из чугуна. |
HT TiCN - 5 |
|||
TiN - 1 |
|||
Средняя толщина - 12 |
|||
HSM (черновое фрезерование) |
Kappa Al2O3 Золотой Мульти слой |
TiN - 1 |
Фрезерование кованных, литых и стойких к коррозии сталей. |
к Al2O3 – 3 |
|||
MT TiCN - 2 |
|||
TiN - 1 |
|||
Средняя толщина -(4-6) |
|||
SpeedMill (скоростное фрезерование) |
Fine alpha Al2O3 Черный Мульти слой |
α Al2O3 3- 3 |
Фрезерование и прерывистое резание углеродистых, легированных и нержавеющих сталей. Возможна обработка отливок из чугуна. |
MT TiCN - 3 |
|||
TiN - 1 |
|||
Средняя толщина -(4-6) |
|||
SpeedTurn (скоростное точение) |
kappa Al2O3 Золотой Мульти слой |
TiN 1 |
Скоростное точение отливок из стали и чугуна при тяжелых условиях резания. |
κ Al2O3 - 6 |
|||
MT TiCN - 5 |
|||
TiN - 1 |
|||
Средняя толщина - (10-18) |
|||
HST |
Fine alpha Al2O3 Черный Мульти слой |
α Al2O3 - 6 |
Универсальное покрытие для точения, отрезки, фрезерования кованных сталей при высоких скоростях. |
МT TiCN - 5 |
|||
TiN - 1 |
|||
Средняя толщина - (10-18) |
|||
U1 |
U1 Золотой Мульти слой |
TiN - 1 |
Универсальное покрытие широкого применения для точения, нарезания канавок, умеренно прерывистого резания углеродистой, легированной, нержавеющей сталей и отливок из чугуна. |
TiCN |
|||
TiN - 1 |
|||
Средняя толщина - (5-9) |
|||
U3 |
U3 Золотой Мульти слой |
TiN - 1 |
Тонкое покрытие для фрезерования и сверления суперсплавов и нержавеющих сталей. |
TiCN - 1 |
|||
TiN - 1 |
|||
Средняя толщина - 3 |