Уманская И.А. Совершенствование процессов нанесения защитных покрытий - файл n1.docx

приобрести
Уманская И.А. Совершенствование процессов нанесения защитных покрытий
скачать (43.7 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx44kb.14.09.2012 20:11скачать

n1.docx


ДонНТУ 2003

Уманская Ирина Анатольевна

Магистр физико-металлургического факультета
группа Мет-02М


Научный руководитель: проф., д.т.н. Алимов Валерий Иванович



АВТОРЕФЕРАТ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

Введение ^

Развитие машиностроения определяет главным образом возможность создания и получения в достаточных количествах конструкционных материалов, отвечающих комплексу требований современной индустрии и новой техники. Для повышения срока службы твердосплавного инструмента применяют покрытия из карбидов и нитридов титана, циркония и гафния, учитывая их высокую энергию связи в кристаллической решетке, большую прочность, твердость в различных средах и при высоких температурах. С целью повышения рабочих характеристик и эффективности работы изделий применяют покрытия из тугоплавких материалов.

Актуальность темы ^

Создание инструментальных материалов, обладающих повышенной износостойкостью, высокой прочностью, а также вязкостью, способностью сопротивляться кратковременному высокоэнергетическому воздействию является актуальной задачей и возможности их применения могут быть расширены при оптимизации параметров состава, микротвердости и адгезии покрытий. Традиционный метод повышения режущих свойств инструмента легированием в настоящее время сдерживается в связи с дефицитом ряда легирующих элементов и вследствие этого практически важной задачей становится поиск научно-обоснованных режимов дополнительной обработки инструмента. Вакуумные ионно-плазменные покрытия на поверхности режущего инструмента позволяют повысить его сопротивление износу при эксплуатации, расширить границы технологических возможностей и уменьшить расход инструментальных материалов, а также улучшить качество обработанной поверхности деталей. Однако некоторые закономерности формирования состава и структуры защитных слоев и их эксплуатационные характеристики остаются пока неясными.

Содержание работы ^

Вольфрамокобальтовые сплавы состоят из карбида вольфрама (WC) и кобальта (Сo). Сплавы этой группы различаются содержанием в них кобальта и размерами зерен карбида вольфрама. Сплав ВК6состоит из 94% WC и 6% Co

Нитридные и карбидные покрытия находят широкое применение в различных отраслях промышленности, что связанно с их предельными физико-механическими свойствами и устойчивостью во многих агрессивных средах [1, 9]. Наибольшее применение в качестве износостойких покрытий для режущих инструментов получили титаносодержащие покрытия, обладающие такими свойствами [2, 8]. Применение ионно-плазменных тугоплавких покрытий TiC – TiN повышает стойкость инструмента из сплава ВК6 в 2,5 раза [3].

В таблице 1 приведены свойства соединений тугоплавких металлов Ti, Zr, Hf, используемых в качестве покрытий [2, 10].

Таблица 1 – Свойства соединений тугоплавких металлов для покрытий

Сое-ди-не-ние

Период

кубической

решетки, нм

Плотность, г/см3

Темпера-тура плавления, 0С

Микро-твердость

Н , ГПа

Временное сопротивление, МПа

растя-жение

сжа-тие

изгиб

TiC

0,4319

4,93-4,96

 3250

31,7

65

1380

5

ZrC

0,4698

6,9

3330-3530

29,5

76

834

75,1

HfC

0,4641

12,2

3740-4040

28,3

-

-

-

TiN

0,4230

5,44

2950

20,5

-

1298

240

ZrN

0,4575

7,35

2980

15

-

1000

-

HfN

0,4520

13,39

3310

16

-

-

-

В работе [5] изучали износ задней поверхности режущих пластин при точении заготовки из стали Х12М и было отмечено, что нитридные покрытия на режущих пластинах из сплава ВК8 способствуют повышению их износостойкости.

Следует отметить несколько более высокую износостойкость нитридоциркониевого покрытия по сравнению с нитридотитановым при точении стали Х12М. Кроме того, пластины ВК8 с покрытием TiN имели катастрофический износ при скорости резания никелевого сплава ХН70ВМТЮ-Ш, равной 5,19 м/с, а пластины ВК8 с покрытием ZrN продолжали работать и при скорости 8,3 м/с. Преимущества нитрида циркония связаны с его меньшей хрупкостью при достаточной твердости и с более высокой износостойкостью [1, 2].

В таблице 2 приведены данные о микротвердости и скорости абразивной эрозии соединений TiN, TiC, TiCN, ZrN, (Ti, Zr)N [6].

Таблица 2 – Микротвердость и скорость абразивной эрозии

Соединение

Микротвердость Н , ГПа

Скорость эрозии, г/мин

TiN

27.4

0,28 – 0,35

TiC

40,3

1,2 – 1,25

TiCN

30,9

0,35 – 0,70

ZrN

32,7

0,19 – 0,25

(Ti, Zr)N

34,1

0,11 – 0,15

Как видно из таблицы 2, покрытия (Ti, Zr)N по твердости уступают только карбиду титана TiC. Совместное использование карбидов и нитридов заключается в том, что соединяют износостойкие карбидные покрытия с более пластичными нитридными [7].

Ионно-плазменные покрытия наносятся физико-химическими методами PVD и CVD-типов [2]. Среди методов PVD наибольшее распространение получил метод конденсации покрытий из плазмы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхностей инструмента (метод КИБ). Возможность широкого варьирования температурой в зонах нанесения покрытий позволяет использовать вакуумно-плазменные методы в качестве универсальных методов для нанесения покрытий на инструменты из твердых сплавов. Эти методы универсальны и с точки зрения возможности получения широкой гаммы монослойных, многослойных и композиционных покрытий на базе нитридных, карбидных, карбонитридных соединений тугоплавких металлов Ti, Zr, Hf.

По данным [7] известно о взаимной растворимости карбидов и нитридов Ti, Zr, Hf. В серной кислоте растворяются ZrC, TiN, ZrN в отличие от не растворяющегося карбида титана [8].

Целью работы являлось изучение структуры и свойств покрытий из тугоплавких соединений Ti, Zr, Hf на пластинках из сплава ВК6, в том числе их способности сопротивляться кратковременному высокоэнергетическому плазменному воздействию.

Нанесение покрытий на твердосплавные пластины ВК6 проводили методом PVD на установке “Булат” путем пропускания паров бензола с азотом над Ti (I) либо над Ti + Zr + Hf (II) в течение 30 мин, либо последовательно пропусканием паров бензола, а затем азота по 15 мин над Ti + Zr + Hf (III). В процессе нанесения образовывались карбиды, нитриды и карбонитриды Ti, Zr и Hf.

Измерение микротвердости проводили на микротвердомере ПМТ-3 по 10 замеров на каждом образце при нагрузке 1,98 Н. Измерение твердости (HRA) проводили на твердомере Роквелла (погрешность одна единица HRA). Данные по твердости приведены в таблице 3 (средние из 5 измерений).

Затем проводили измерение толщины покрытий металлографическим методом (таблица 3).

Перед проведением испытания на коррозионную стойкость покрытия образцы обезжиривали и взвешивали на весах. На поверхности образцов делали специальные лунки диаметром 3 мм из пластилина. Затем лунку заполняли 10 % - ным раствором H2SO4 и выдерживали 20 мин. После проведения испытаний образцы также обезжиривали и взвешивали на весах.

Таблица 3 – Значение твердости, микротвердости и толщины покрытия

Свойство

Сплав ВК6

Варианты покрытий

I

II

III

HRA

89

90

90

90

Н , ГПа

10,064 0,738

20,356 1,365

17,336 1,794

12,140 0,267

покрытия, мкм

-

47,1 1,6

48,9 0,6

49,1 0,8

Из таблицы 3 прослеживается тенденция снижения микротвердости покрытий в связи с их составом и способом нанесения. Микротвердость образцов снижается при переходе от варианта I к III, что свидетельствует о пластифицирующем влиянии карбидов и нитридов Zr и Hf (это согласуется с данными [2, 10]), взаимно растворяющихся, в том числе, и в соединениях Ti [7]; нитриды этих металлов мягче карбидов; ZrN и HfN мягче, чем TiN [10]. В то же время макротвердость сплава с покрытиями практически одинакова (90 HRA), что несколько выше твердости исходного сплава (89 HRA).

Толщина покрытий (таблица 3) приблизительно одинакова, хотя она несколько увеличивается от образца I к образцу III. Это возможно связано с изменением периода кубической решетки [2, 10], поскольку TiC и TiN имеют несколько меньший периоды решетки, чем ZrN и ZrC, HfN и HfC.

http://www.masters.donntu.edu.ua/2003/fizmet/umanskaya/diss/image2.gifhttp://www.masters.donntu.edu.ua/2003/fizmet/umanskaya/diss/image3.gif

http://www.masters.donntu.edu.ua/2003/fizmet/umanskaya/diss/image4.gifhttp://www.masters.donntu.edu.ua/2003/fizmet/umanskaya/diss/image5.gif

Рисунок 1 – Свойства покрытий

Износостойкость покрытия варианта II (0,0022http://www.masters.donntu.edu.ua/2003/fizmet/umanskaya/diss/image6.gif ) оказалась в три раза выше, чем покрытия по варианту I; еще более высокую износостойкость имело покрытие III, что согласуется с данными работы (рисунок 1) [3]. Из данных об относительном износе можно сказать, что при некотором снижении микротвердости покрытий их относительный износ также снижается, что согласуется с данными [1, 2].

Наиболее высокая коррозионная стойкость у покрытия варианта I (2,03http://www.masters.donntu.edu.ua/2003/fizmet/umanskaya/diss/image7.gif), в то время как у покрытий варианта II и III она составила порядка 15http://www.masters.donntu.edu.ua/2003/fizmet/umanskaya/diss/image7.gif (рисунок 1), что согласуется с данными работы [2], согласно которой TiC в H2SO4 не растворяется.

На пластинки с покрытиями кратковременно воздействовали электродуговой плазмой прямой полярности, полученной с помощью углеграфитового электрода диам. 6 мм.

На покрытиях (I, II) произошли выбросы материала покрытия с образованием кратеров диаметром 100 – 200 мкм на всю толщину покрытия и дополнительно на глубину 10 - 30 мкм в твердом сплаве. Толщина периферии кратеров увеличилась и образовался графитовый налет толщиной до 700 (I) и даже до 1100 (III) мкм.

На оплавленной поверхности было большое количество пор диаметром от 0,30,4 до 11,2 мкм. Минимальное количество пор наблюдалось у покрытия (II) – примерно 1 пора/мкм2, в то время как у покрытия (III) их было 56 пор/мкм2.

Микротвердость (нагрузка 1,98 Н) оплавленной зоны для покрытия (I) составила 17,2 ГПа при исходной микротвердости 20,3 ГПа; различия у покрытий (II, III) были незначительны и микротвердость составила 1717,3 ГПа (Б) и 1213 (III) ГПа соответственно. Покрытия у оплавленных участков отслаиваются от твердого сплава и скалываются.

ВЫВОДЫ ^

1. Карбидные и нитридные покрытия тугоплавких металлов могут быть высокопрочными, износостойкими, коррозионно-стойкими.

2. Твердость покрытий из нитридов и карбидов Ti выше, чем у покрытий, состоящих из карбидов и нитридов Ti, Zr, Hf, однако последние имеют более высокую износостойкость; покрытие TiC – TiN хорошо сопротивляется кратковременному воздействию 10 %-ного раствора H2SO4.

3. После кратковременного плазменного воздействия у покрытия с карбидами и нитридами Тi (I) происходит сильное снижение твердости, в то время как у покрытий с карбидами и нитридами Ti, Zr и Hf твердость остается на том же уровне; все покрытия у оплавленных участков имеют тенденцию к отслаиванию.

ЛИТЕРАТУРА ^

1. Андриевский Р.А., Спивак И.И. Прочность тугоплавких соединений и материалов на их основе. – Челябинск: Металлургия, 1989. – 368 с.

2. Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. – М.: Машиностроение, 1986. – 192 с.

3. Калашников Л.В., Ковалев Д.Ю., Костогоров Е.П. Получение, структура и свойства покрытий на основе системы Ti – W – C – N, осажденных методом СВС-газотранспортных реакций. Физика и химия обработки материалов, 1996, № 4. – С. 50 – 55.

4. Криворучко В.М. Получение тугоплавких соединений из газовой фазы. – М.: Автомиздат, 1976. – 120 с.

5. Кусков В.Н., Парфенов В.Д., Ковенский И.М. Формирование и износостойкость нитридных ионно-плазменных покрытий на твердосплавных режущих пластинах. Физика и химия обработки материалов, 1992, № 6. – С. 76 – 81.

6.Литвинов А.А. Изучение физических основ получения композиционных покрытий в тройной системе Ti – Zr – N. Физика и химия обработки материалов, 2001, № 4. – С. 76 – 81.

7. Самсонов Г.В., Уманский Я.С. Твердые соединения тугоплавких металлов. – М.: Металлургиздат, 1957. – 388 с.

8. Самсонов Г.В., Эпик А.П. Тугоплавкие покрытия.–М.:Металлургия, 1973.–398с.

9. Ткаченко Ю.Г., Орданьян С.С., Юлигин В.К. Характеристики трения, особенности деформации в зоне контакта TiC в области гомогенности. Порошковая металлургия, 1979, № 6. – С. 45-48.

10. Тот Л. Карбиды и нитриды переходных металлов. – М.: Мир, 1974. – 296 с.

ДонНТУ 2003 Уманская Ирина Анатольевна
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации