5.5. Вакуумно-плазменные покрытия
Для нанесения покрытий вакуумно-плазменным способом используются две группы методов: CVD - химическое осаждение покрытия из пара и PVD - физическое осаждение из пара. Эти методы позволяют наносить покрытия из чистых металлов, сплавов, и/или соединений (например, Ti, Ni, Si, C и др.). Методы CVD основаны на осаждении покрытия в результате химической реакции на поверхности подложки. Реакция активируется температурой, плазмой, фотонами или каталитическим действием поверхности подложки. Методы PVD основаны на переводе материала мишени в паровую и/или плазменную фазу с последующим осаждением его на подложку. Наиболее часто используют распыление по диодной или триодной схемам, магнетронное распыление и электродуговое испарение. В случае ионизации паровой фазы на подложку обычно подают отрицательный потенциал смещения для улучшения условий формирования покрытия и увеличения адгезии. Для получения покрытий из чистых материалов или сплавов в технологические камеры обычно подают инертный газ, а для получения соединений используют реактивное распыление с подачей в камеру газа, реагирующего с распыляемым материалом.
Основным методом нанесения покрытий на инструменты, оснащенные твердым сплавом, является метод CVD. Существуют два способа получения покрытий по нему:
газофазный - конденсация газообразных соединений из газовой среды с образованием твердой пленки на поверхности режущего инструмента;
термодиффузионный.
Вакуумно-плазменные методы CVD проводятся при 1000...1100 0С, что исключает их применение для быстрорежущего инструмента, у которого термостойкость составляет 620...645 0С. Современные технологии на CVD метода широко используются для нанесения коррозионно-стойких покрытий на поверхности медицинских протезов и имплантантов, для металлизации тканей
Иногда для инструмента, оснащенного твердым сплавом, используется метод КИБ - метод конденсации покрытий из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхностей инструмента (одна из разновидностей PVD). Температура подложки относительно низкая (450oC), что позволяет применять его для нанесения износостойких покрытий на инструмент, оснащенный твердым сплавом, и на инструмент из быстрорежущей стали.
Вакуумно-плазменный метод позволяет получать широкую гамму монослойных, многослойных и композиционных покрытий, предупреждающих образование геометрических, кристаллохимических и физико-механических дефектов на поверхностных слоях инструментального материала.
Наиболее эффективным способом упрочнения быстрорежущего инструмента является способ КИБ, а наиболее эффективным и технологичным покрытием является покрытие TiN.
Процесс упрочнения способом КИБ состоит из двух основных этапов - ионной очистки и нанесения покрытия. Ионная очистка проводится для получения атомно-чистой поверхности непосредственно перед осаждением покрытия путем бомбардировки поверхности ускоренными ионами испаряемого металла. Одновременно ионы внедряются в поверхностный слой, насыщают его и, тем самым обеспечивают высокую прочность сцепления покрытия и основы.
В промышленности обычно применяют нанесение на инструменты покрытий из карбида титана, нитрида титана, карбонитрида титана, карбида хрома и окиси алюминия. Областью применения быстрорежущего инструмента с износостойкими покрытиями TiN является обработка углеродистых и низколегированных конструкционных сталей. В этих условиях покрытие TiN позволяет увеличить стойкость инструмента в 2...3 раза по сравнению с неупроченным инструментом или повысить скорость
резания в 1,2...1,3 раза. Нанесение покрытия на инструмент из маловольфромовой быстрорежущей стали 11Р3АМ3Ф2 повышает стойкость в 2 раза по сравнению с инструментом без покрытия и тем самым позволяет повысить свойства этой стали до уровня свойств стали Р6М5. Сверла из быстрорежущей стали без покрытия могут быть использованы для изготовления отверстий, с покрытием TiN - 186 отверстий, с (TiAl)N - 422 отверстия, (Ti,Zr)N - 210 отверстий.
Применение быстрорежущего инструмента с износостойким покрытием TiN при обработке жаропрочных сплавов не эффективно. Твердосплавный инструмент с износостойким покрытием целесообразно применять на операциях чистового и получистового точения торцевого фрезирования углеродистой и малоуглеродистой сталей (типа 45 и 40Х).
Применение износостойких покрытий из TiC или TiC+TiN (МС 2210, МС 1460, ВП 1255) обеспечивает повышение стойкости по сравнению со сплавом Т15К6 в 3...4 раза или повышение производительности в 1,4...1,8 раза по сравнению со сплавом Т15К6, Т5К10.