8.2.2.Электролитические (гальванические) покрытия.

Для инструмента используют покрытие блестящим хромом. Такое покрытие имеет повышенную твердость (900 – 1000HV), пониженный коэффициент трения.

Это покрытие, в отличие от диффузионных, слабо связано с БРС, имеет пониженную теплостойкость – при нагреве до 400⁰С происходит заметное снижение твердости.

Наиболее рационально применение хромированного инструмента при обработке мягких, вязких материалов, которые при резании налипают на инструмент – алюминиевые сплавы, баббиты. Налипание уменьшается вследствие снижения коэффициента трения - примерно в два раза по сравнению со сталью без покрытия (0,08 и 0,19 – коэффициенты трения в паре с баббитом).

8.2.3. Адгезионные покрытия.

Покрытия наносятся на инструмент методами физического или химического осаждения (ФОП и ХОП – физическое и химическое осаждение покрытий, соответственно).

С помощью этих методов на инструмент наносятся тонкие (несколько мкм) однослойные или многослойные покрытия нитридов, карбидов, оксидов, обладающие весьма высокой твердостью (твердость карбида титана составляет 3200HV, нитрида титана - 2500 HV). Покрытия повышают стойкость инструмента в среднем в 2 – 4 раза, отмечены случаи повышения стойкости в 8 – 10 раз.

ФОП может выполняться при относительно низких температурах – около 500⁰С, т.е. ниже температуры отпуска БРС. Эта технология применяется для упрочнения инструмента и из БРС, и из твердых сплавов.

ХОП проводится при высоких температурах - около 1000⁰С. Эта технология может быть использована только для упрочнения твердосплавного инструмента.

Физическое осаждение покрытий.

Методы ФОП (PVD - physical vapour despositions) основаны на испарении в вакууме металла, входящего в состав покрытия, его соединением с газом-реагентом, при этом образуются химические соединения (нитриды, карбиды). Эти соединения в виде пленки осаждаются на инструмент.

Промышленностью широко освоен метод конденсации с ионной бомбардировкой (КИБ). Его используют, в частности, для нанесения на инструмент покрытий нитрида титана (TiN).

В вакуумной камере размещают источники электро-дугового испарения, это металл, являющийся катодом, который входит в состав покрытия (при нанесении TiN это титан). Анод – металлический корпус камеры. При включении электро-дуговых источников создается плазменный поток титана, при этом ионы титана бомбардируют объект покрытия – инструмент. При подаче в вакуумную камеру реагирующего газа (азота) происходит реакция образования нитрида титана (Ti⁺+N^- ® TiN) и его осаждение (конденсация) на поверхности инструмента.

Нанесение покрытия методом КИБ выполняется в два этапа:

• ионная бомбардировка инструмента;

• конденсация покрытия после подачи газа-реагента.

При предварительной (до подачи газа) ионной бомбардировке происходит разрушение поверхностных адсорбционных оксидных пленок, а также сглаживание поверхности за счет удаления гребешков микронеровностей, т.е. формируется поверхность, на которую на втором этапе осаждается пленка нитрида титана.

Эффективно нанесение покрытия TiN на инструмент, предварительно подвергнутый азотированию. Такая технология обеспечивает плавное изменение твердости от поверхности (пленки TiN) с твердостью 2500 – 3000HV, к основному металлу – БРС с твердостью 840 -850HV, благодаря наличию промежуточного азотированного слоя (подслоя) с твердостью 1300 - 1400HV. Это улучшает свойства инструмента, т.к. резкий перепад твердости, получающийся при нанесении пленки TiN без азотирования, является концентратором напряжений.

При нанесении покрытий необходимо сбалансированное соотношение между титаном и азотом (количество их атомов должно быть равным). При избытке титана (дефиците азота) на поверхности инструмента образуется «капельная фаза» - это чистый титан. Его твердость невысока, кроме того, наличие капельной фазы способствует отслаиванию покрытия. Стойкость инструмента при этом может быть даже ниже, чем инструмента без покрытия.

Для достижения высокой стойкости инструмента, упрочненного методом КИБ, необходимо жестко обеспечивать ряд требований к технологии изготовления инструмента до нанесения покрытий:

• необходима тщательная очистка и обезжиривание инструмента перед нанесением покрытия; при необходимости инструмент после химической очистки следует хранить в эксикаторе с селикогелем;

• недопустим «недоотпуск» инструмента; это может привести к разрушению покрытия, т.к. в процессе нанесение покрытий происходит нагрев инструмента из БРС практически до отпускных температур, это вызовет при охлаждении превращение остаточного аустенита в мартенсит, сопровождающееся увеличением объема и разрушением хрупкой пленки;

• недопустимы шлифовочные прижоги, во-первых, из-за наличия аустенита во вторично закаленном слое, во-вторых, из-за низкой твердости отпущенного слоя – при резании возможно вдавливание пленки TiN в мягкую подложку.

Химическое осаждение покрытий.

Методы ХОП (CVD chemical vapour despositions), в результате которых образуются покрытия, основаны на химических реакциях, проходящих в парогазовой среде.

Исходными продуктами служат соединения металлов с элементами VIIгруппы периодической системы элементов Менделеева (галогенами) – галогениды, являющиеся источниками атомов металла в химическом соединении, образующем покрытие, и газы – источник неметаллических атомов.

Наибольшее распространение получили покрытия из карбида и нитрида титана, карбонитрида титана и оксида алюминия. Покрытия наносятся на многогранные пластинки, при этом используют твердые сплавы с высоким содержанием кобальта, обладающие большей прочностью.

Осаждение выполняют в среде водорода при 1000 – 1100⁰С. При такой температуре происходит разложение галогенида и протекают следующие реакции:

• реакция образования пленки карбида титана на твердом сплаве выглядит следующим образом: ТiCl₄ + Н₂ + СН₄ ® ТiС + 4НС1+Н₂;

• реакция образования нитрида титана - ТiС1₄ + N₂ + 2Н₂ ® ТiN +4НС1+Н₂;

• реакция образования оксида алюминия - 2А1С1₃ + ЗН₂ + ЗС0₂ ® А1₂О₃ + ЗСО + 6НС1

В результате ХОП образуется сильная адгезионная связь покрытия и твердого сплава вследствие взаимных диффузионных процессов.