6.5 Твердосплавной инструмент с износостойкими покрытиями

Одним из наиболее эффективных способов обеспечения оптимального сочетания «твердость-пластичность» инструментальных материалов являются методы нанесения износостойких покрытий.

Современные технологические процессы позволяют синтезировать покрытия на основе одинарных, двойных и тройных соединений тугоплавких металлов IV - VI групп Периодической системы элементов (карбиды, нитриды, бориды, оксиды и их смеси). Толщина каждого слоя таких покрытий может составлять нескольких нанометров, что позволяет не только предельно уменьшить количество различных дефектов, но и реализовать «теоретическую» прочность материала покрытия. Использование инструментов с подобными покрытиями позволяет эффективно решить целый ряд задач для широкой гаммы технологических операций резания, связанных с повышением производительности, точности и качества обработки, снижением расхода дорогостоящих инструментальных материалов, возможностью реализации экологически безопасного резания без применения СОТС.

Все покрытия, использующиеся для нанесения на режущий инструмент (рис. 6.7), условно можно классифицировать по составу (одноэлементные, многоэлементные, многокомпонентные и композиционные) и строению (однослойные и многослойные).

Рис. 6.7. Классификация износостойких покрытий для режущего

инструмента по составу и строению

В настоящее время в практике производства режущих инструментов все чаще используют многослойные покрытия на основе одинарных, двойных и тройных соединений тугоплавких металлов IV-VI групп Периодической системы элементов (карбиды, нитриды, бориды, оксиды и их смеси).

Чрезвычайно важной задачей разработки инструментального материала с покрытием является выбор метода нанесения покрытий. Наибольшее распространение для нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент получили методы химического (CVD – Chemical Vapour Deposition) и физического (PVD – Physical Vapour Deposition) осаждения покрытий.

Рисунок 6.8 – Характеристика покрытий, нанесенных методами химического (CVD) и физического (PVD) осаждения

6.5.1 Химические методы осаждения покрытий. Свойства, области применения

Разновидностями метода химического осаждения являются высокотемпературное осаждение покрытий – high-temperature (HT-CVD), среднетемпературное осаждение – medium-temperature (MT-CVD) и осаждение покрытий с плазменным сопровождением – plasma assisted (PA-CVD); метода физического осаждения – ионно-термическое, электродуговое и ионное распыление.

Методами CVD наносятся покрытия на основе нитридов, карбидов, оксидов и карбонитридов тугоплавких металлов. Кроме того, с их помощью наносятся покрытия с алмазоподобной структурой. Наибольшее распространение в инструментальном производстве получили следующие соединения, формируемые процессами CVD: TiN, TiC, TiCN, Al203. Указанные соединения применяются как в качестве однослойных покрытий, так и в качестве отдельных слоев многослойного покрытия. Типичные многослойные покрытия, предлагаемые ведущими мировыми производителями твердосплавных инструментов – Sandvik Coromant, Kennametal Hertel, ISCAR и др., а также некоторые области их эффективного применения, представлены на рис. 6.9 и в табл. 6.9

Рисунок 6.9

Таблица 6.9

В многослойном покрытии каждый из слоев выполняет строго регламентированные служебные функции. Например, в покрытии TiN-TiCN-Al2O3наружный слой Al2O3 предназначен для сдерживания диффузионных процессов, снижения физико-химического взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов, снижения склонности инструментального материала к окислению при повышенных температурах резания. Слой TiN обладает кристаллохимической совместимостью с твердосплавной основой, а слой на основе карбонитрида титана TiCN используется для повышения прочности адгезионной связи между инструментальным материалом и наружным слоем покрытия.

Важной характеристикой покрытия является его толщина. С одной стороны, ее рост благоприятно сказывается на повышении износостойкости контактных площадок инструмента, с другой – приводит к заметному увеличению количества дефектов в покрытии, снижению прочности сцепления покрытия с инструментальным материалом и уменьшению способности покрытия сопротивляться хрупкому разрушению. По этой причине при нанесении покрытий на режущие инструменты, эксплуатирующиеся в условиях прерывистого резания, например, при фрезеровании, когда покрытие должно сопротивляться циклическим нагрузкам, его толщина, как правило, не превышает 3…5 мкм, в то время как при точении в некоторых случаях этот показатель может достигать 15 мкм.

Основным направлением совершенствования твердого сплава с CVD-покрытиями является снижение хрупкости его поверхностного слоя.

Появление технологий MT-CVD также не смогло до конца решить эту проблему. Величина растягивающих напряжений в поверхностном слое покрытий, получаемых по технологии MT-CVD, несколько ниже, чем у аналогичных, полученных высокотемпературным CVD-методом, но все же достаточна чтобы привести к зарождению трещин.

Одним из решений данной проблемы может служить технология предложенная фирмой Sandvik Coromant. Согласно данной технологии, после нанесения на твердосплавную основу покрытия TiСN/Al203/TiN, передняя поверхность пластины полируется по специальной технологии, в результате чего полностью снимается слой нитрида титана и верхний слой оксида алюминия. Удаление всего 2…3 мкм от общей толщины покрытия дает возможность снизить уровень внутренних растягивающих напряжений в 2 раза и ликвидировать большую часть зародышей трещин. Такие покрытия получили название «Low stress coating». Кроме того, полировка «обнажает» наиболее плотный и износостойкий слой оксида алюминия, который наилучшим образом сопротивляется диффузионному и абразивному износу. Гладкая передняя поверхность дает дополнительные преимущества при обработке вязких материалов – на ней практически отсутствует схватывание с обрабатываемым материалом. Задняя поверхность, сохранившая всю толщину покрытия, эффективно сопротивляется действующим на нее нагрузкам.

Рис 6.10 Характер износа твердосплавных пластин с различными видами покрытий

Как видно из рис. 6.10, применение покрытий TiСN/Al203/TiN «Low stress coating» существенно снижает износ твердосплавных пластин по задней поверхности по сравнению с покрытиями, нанесенными по традиционной технологии.

Необходимо отметить, что на сегодняшний день порядка 80% всего выпускающегося твердосплавного инструмента имеют различные покрытия, большую часть которых составляют покрытия, нанесенные по технологиям CVD. Данные технологии обеспечивают равномерное нанесение покрытий высокой плотности на рабочие поверхности инструмента и обеспечивают достаточно высокую производительность режущего инструмента.

Существенными недостатками CVD-методов являются достаточно высокие температуры, при которых они реализуются, сложность управления составом и структурой формируемых покрытий в широких пределах, а также то обстоятельство, что они практически не используются для нанесения многоэлементных покрытий типа (Ti,Me)N, (Ti,Me1,Me2)N.