Уманская И.А. Совершенствование процессов нанесения защитных покрытий - файл n1.docx
приобрестиУманская И.А. Совершенствование процессов нанесения защитных покрытий
скачать (43.7 kb.)
Доступные файлы (1):
| n1.docx | 44kb. | 14.09.2012 20:11 | скачать |
- Смотрите также:
- Список использованной литературы (Документ)
- Богорад Л.Я. Хромирование (Библиотечка гальванотехника выпуск 4) (Документ)
- Коротин А.И. Технология нанесения гальванических покрытий (Документ)
- Абраимов Н.В. Высокотемпературные материалы и покрытия для газовых турбин (Документ)
- Шлугер М.А. Гальванические покрытия в машиностроении. Том 1 (Документ)
- Введенский В.Д., Фурман Ш.А. Автоматизированное нанесение тонкоплёночных интерференционных покрытий в вакууме (Документ)
- Беленький М.А. Иванов А.Ф. Электроосаждение металлических покрытий. Справочник (Документ)
- Дасоян М.А. и др. Технология электрохимических покрытий (Документ)
- Вячеславов П.М. Металлические покрытия, нанесенные химическим способом (Документ)
- Ткачев А.Г., Баранов А.А., Пасько А.А. Автоматизация проектирования технологических процессов (Документ)
- Вансовская К.М. Металлические покрытия, нанесенные химическим способом (Документ)
- Петрова Н.К., Юдин Г.А. Иллюстративный материал по разделу дисциплины Теория и технология композиционных материалов (Документ)
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
Актуальность темы
Содержание работы
Выводы
Литература
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.
Рисунок 1 – Свойства покрытий
Износостойкость покрытия варианта II (0,0022
) 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 (2,03
), в то время как у покрытий варианта II и III она составила порядка 15 (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