kursovik (Физические свойства вакуумно-плазменных покрытий для режущего инструмента)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Физические свойства вакуумно-плазменных покрытий для режущего инструмента

Курсовая работа студента 3-го курса

Эйзнера А.Б.

Минск 2001 г.

Аннотация.

В процессе работы режущего инструмента, основная нагрузка приходится на его рабочую поверхность, что, в конечном счете, приводит к частичному или полному износу последней. Существует ряд технологических способов обработки рабочей поверхности, направленных на ее упрочнение, наиболее прогрессивным и эффективным из которых является метод нанесения на поверхность инструмента покрытий из твердых соединений.

В работе рассматриваются основные способы нанесения износостойких покрытий на поверхность режущего инструмента; производится обзор соединений металлов с кислородом, азотом и углеродом, как основы для защитных покрытий; приводятся некоторые характеристики наиболее часто используемых в производстве покрытий.

Оглавление.

1. Введение 3

2. Трение и износ твердых тел 3

3 Технологические способы обработки поверхности 4

4. Основные требования к покрытиям 6

5. Способы нанесения износостойких покрытий 6

6. Классификация износостойких покрытий для режущего инструмента 11

6.1. Основные положения 11

1. Одноэлементные, однослойные покрытия 12

1. Соединения, используемые в качестве покрытий 12

2. Характеристики одноэлементных, однослойных покрытий 13

6.3. Многослойные покрытия 17

7. Вывод 22

1. Введение.

Одним и наиболее важным показателем эксплуатации режущего инструмента является его работоспособность, определяющая состояние, при котором режущий инструмент выполняет свою работу, имея износ рабочих поверхностей, меньший критического значения. Обеспечить максимизацию

работоспособности, значит повысить рост производительности труда, сэкономить дорогостоящий материал, энергию и трудовые ресурсы.

Работоспособность режущего инструмента может быть повышена благодаря такому изменению поверхностных свойств инструментального материала, при котором контактная поверхность инструмента будет наиболее эффективно сопротивляться абразивному, адгезионному, коррозийно-окислительному и др. видам износа как при комнатной, так и при повышенной температурах. Так же инструментальный материал должен обладать достаточным запасом прочности при сжатии, изгибе, приложении ударных нагрузок.

Большинство инструментальных материалов обладают лишь несколькими из указанных выше свойств, что резко снижает их область применения. Например, инструменты из быстрорежущей стали обладают относительно невысокой теплостойкостью, средней твердостью, небольшими прочностью при изгибе и ударной вязкостью; керамические режущие инструменты имеют повышенную твердость, износостойкость и высокую теплопроводность, но им присущи низкая ударная вязкость и повышенная хрупкость.

2. Трение и износ твердых тел.

Внешнее трение твердых тел имеет двойственную (молекулярно-механическую или адгезионно-деформационную) природу. Контактирование твердых тел вследствие волнистости и шероховатости их поверхности происходит в отдельных зонах фактического касания. Суммарная плоскость этих зон – площадь касания, в пределах нагрузок невелика, это приводит к возникновению в зонах касания твердых тел значительных напряжений, нередко приводящих к появлению поверхностных пластических деформаций.

Деформирование поверхностных слоев подвижных спряжений, рабочих органов машин и оборудования приводит к их частичному или полному изнашиванию.

Из большего количества видов износа можно выделить основные:

• адсорбционно-коррозионно-усталостный (АКУ), абразивный

- молекулярный (адгезионный) аэро- и гидроабразивный, коррозийный

АКУ износ широко распространен в подвижных спряжениях, хороше защищенных от проникновения в них абразивы. Объясняется это тем, что при скольжении, внедрившиеся микронеровности более жесткого тела деформируют поверхностные слои менее жесткого. При этом деформация самих микронеровностей значительно меньше и ей можно пренебречь, считая микронеровности абсолютно жесткими. Деформирование поверхностных слоев менее жесткого тела приводит к уменьшению концентрации легирующих элементов в отдельных микрообъемах деформируемых слоев. Это служит очагом зарождения полос течения, которые возникают в более напряженных областях поверхностных слоев. В полосах течения при деформировании передвигаются дислокации, что повышает их концентрацию у границ пересечения. Взаимодействие дислокаций в этих местах приводит к разрыхлению в них материала и образованию микропор.

В дальнейшем микропоры сливаясь образуют микротрещины, которые объединяются в макротрещины. Макротрещины по мере силовых воздействий твердых тел в процессе трения увеличиваются в размерах и объединяются, приводя к появлению части износа.

При абразивном износе микронеровности более жесткого тела, частицы окружающей среды или продукты износа внедряются в поверхность менее жесткого из взаимодействующих тел, что приводит к его износу. Если внедряются микронеровности более жесткого тела в поверхность менее жесткого, то деформируя последнюю, они могут вызвать появление стружки. При износе под действием частиц окружающей среды или продуктов износа происходит внедрение микронеровностей в менее жесткое тело, а затем износ этими частицами поверхности более жесткого тела.

Аэро - и гидроизнос происходит в результате воздействия на поверхность материала твердых частиц, движущихся в потоках газа или жидкости.

Молекулярный (адгезионный) износ – разрушение связей, возникающих в результате межатомных и межмолекулярных взаимодействий.

Эти связи происходят между пленками, покрывающими поверхность твердого тела. Износ происходит, когда фрикционная связь на границе раздела оказывается прочнее, чем нижележащий материал.

Коррозийный износ распространен в средах ( в смазочной и рабочей) содержащих коррозийно-активные вещества [1].

3. Технологические способы обработки поверхности.

Существует три основные способа обработки рабочей поверхности инструмента, направленных на повышение ее прочности.

Термообработка. Высокую поверхностную прочность обеспечивает изотермическая закалка, а также термомеханическая обработка поверхности детали.

При поверхностной закалке (газопламенная закалка) и химико-термической обработке (цементование) упрочнение обусловлено главным образом возникновением в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений вследствие образования структур большего удельного объема (нитриды и карбонитриды при нитроцементации и азотировании), чем структуры основного металла. Расширение поверхностного слоя тормозит сердцевина, сохраняющая исходную перлитную структуру, вследствие чего в поверхностном слое возникают двухслойные напряжения сжатия. В нижних слоях развиваются реактивные растягивающие напряжения, имеющие малое значение, из-за незначительности сечения термически обработанного слоя сравнительно с сечением сердцевины. Создание предварительных напряжений сжатия снижает среднее напряжение в области сжатия, тем самым повышается предел выносливости.

Газовая закалка повышает предел выносливости по сравнению с исходной конструкцией из необработанной стали в 1.85 раза.

Наиболее эффективным способом обработки является азотирование, которое практически полностью устраняет внешних концентраторов напряжений. Азотирование не вызывает изменения формы и размеров детали. Азотированный слой обладает повышенной коррозие - и термостойкостью. Твердость и упрочняющий эффект сохраняются вплоть до температур

500-600 ^оС.

Оптимальные толщины слоя уплотнения при цементации 0.4-0.8 мм, цементовании и азотировании 0.3-0.5 мм, закалке с нагревом и газовой закалке 2-4 мм.

Упрочнение поверхности пластической деформацией. Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – наклеп поверхностного слоя на глубину 0.2-0.8 мм с целью создания в нем остаточного напряжения сжатия. При наклепе поверхностный слой расплющивается. Удлинению поверхностного слоя препятствует сила сцепления с нижележащими слоями металла. Вследствие этого в наклепанном слое возникают двухосные напряжения сжатия, а в толще основного металла незначительные реактивные напряжения растяжения. Складываясь с рабочими напряжениями растяжения, остаточные напряжения сжатия уменьшают, а при достаточно больших значениях компенсируют первые. Возникающие при наклепе множественные искажения структуры (деформация зерна, местные пластические сдвиги) эффективно тормозят развитие усталостных повреждений и расширяют область существования нераспостроняющихся трещин, увеличение которых обуславливает существование разрушающих напряжений.

Эффективен наклеп в напряженном состоянии, представляющий собой сочетание упрочнения перегрузкой с наклепом. При этом способе деталь нагружают нагрузкой того же напряжения, что и рабочая, вызывая в материале упругие или упругопластические деформации. После снятия нагрузки в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия.

Наклепный слой чувствителен к нагреву. При температурах 400-500 ^оС действие наклепа полностью исчезает, из-за наступающего при этих температурах процесса рекристаллизации, устраняющего кристаллоструктурные изменения, внесенные наклепом.

Основные разновидности упрочнение поверхности пластической деформацией:

• дробеструйная обработка

• обкатывание

• чеканка

• алмазное выглаживание

Дробеструйная обработка заключается в наклепе поверхностного слоя потоком закаленных шариков (диаметр 0.5-1.5 мм), создаваемым центробежными дробеметками. Качество поверхности при данном процессе немного снижается.

Плоские поверхности упрочняют обкатыванием шариками, установленными во вращающемся патроне. Заготовке придают движение продольной и поперечной подачи, при правильно выбранном режиме обкатывания, остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое составляют 600-1000 МПа. Глубина уплотнения слоя 0.2-0.5 мм. Данный процесс улучшает качество поверхности детали. Поверхность вращения упрочняют обкатыванием стальными закаленными роликами. Силу прижатия ролика выбирают с таким ращетом, чтобы создать в поверхностном слое напряжения, превышающие предел текучести материала в условиях всестороннего сжатия ( для стали 5000-6000 МПа).

Чеканку производят бойками со сферической рабочей поверхностью, приводимыми в колебания пневматическими устройствами. Частота колебаний и скорость вращения заготовки должны быть согласованы таким образом, чтобы наклепанные участки перекрывали друг друга.

Алмазное выглаживание заключается в обработке предварительно шлифованной и полированной поверхности закругленными алмазными резцами (радиус 2-3 мм). Поверхностный слой уплотняется до глубины 0.3-0.5 мм. Качество поверхности значительно улучшается.

Нанесение на рабочую поверхность инструмента покрытий из твердых соединений. Данный способ является наиболее эффективным и прогрессирующим из выше упомянутых способов, позволяет резко повысить эксплутационные качества режущего инструмента тем самым, расширяя его область применения [1].

4. Основные требования к покрытиям.

К покрытиям в зависимости от материала и условий эксплуатации режущего инструмента, предъявляются своего рода технологические требования, которые можно подразделить на четыре категории.

Во-первых, это условие, учитывающее условия работы инструмента. Покрытие должно обладать: высокой твердостью, превышающей твердость материала инструмента; устойчивостью к высокотемпературной коррозии; отсутствие схватываемости с обрабатываемым материалом во всем диапазоне температур резания; устойчивостью к разрушению при колебании температур и напряжений; постоянством механических свойств, даже при температурах, близких к температурам разрушения инструментального материала.

Во-вторых, это необходимость совместимости свойств материала покрытия со свойствами материала инструмента: сродство кристаллохимического строения материала покрытия и инструмента; оптимальное соотношение материалов покрытия и инструмента по модулям упругости, коэффициентам Пуассона и линейного расширения, теплопроводности; малая склонность к образованию хрупких вторичных соединений.

В-третьих, это требования к технологическим особенностям метода нанесения покрытий: создание в процессе нанесения покрытия на инструмент условий, не оказывающих существенного влияния на физические и кристаллохимические свойства материала инструмента.

В-четвертых, требования, относящиеся к покрытиям в целом: покрытие должно быть сплошным и иметь постоянную плотность по всему объему, тем самым, защищая материал инструмента от соприкосновения с обрабатываемым

материалом и газовой средой; стабильность свойств покрытия во времени; малость колебаний толщины покрытия в процессе работы, позволяющая не изменять рельеф материала инструмента [5-11].

5. Способы нанесения износостойких покрытий.

Процесс нанесения покрытия на поверхность режущего инструмента определяется как свойствами материала покрытия и инструмента, так и спецификой протекания процессов формирования покрытия. Исходя из выше сказанного, все методы нанесения покрытий можно разделить на две группы.

В первую группу входят методы химического осаждения покрытий из парогазовой фазы (ХОП) [11]. Формирование покрытия осуществляется вследствие химических реакций между парогазовыми смесями, состоящих из соединения металлоносителя и носителя второго компонента, являющегося как газотранспортером, так и восстановителем. В процесс формирования покрытия вносят вклад и структура поверхности инструментального материала, и гетеродиффузионные реакции между конденсатом и материалом инструмента. Этот метод применяется при нанесении покрытий на основе карбидов, нитридов, карбонитридов титана, оксида алюминия. Метод ХОП реализуется при температурах 1000-1100 ^оС, этот факт исключает возможность нанесения покрытий данным методом на инструменты из быстрорежущих сталей, которые были подвергнуты термической обработке [6].

Существует ряд недостатков метода ХОП:

• взрывоопасность и токсичность водорода, как газа-носителя

• наличие большего количества непрореагировавших компонентов

• сложность технологического оборудования

• внутреннее напряжение в слое покрытия

• невозможность нанесения покрытия на инструмент, имеющий острые режущие кромки

Вторая группа – это методы физического осаждения покрытий (ФОП) [6]. К этим методам относятся: метод получения тонких пленок распылением материалов ионной бомбардировкой (РИБ); метод генерации потока о

саждаемого вещества термическим испарением (МТИ).

Суть метод РИБ состоит в следующем:

1. В вакууме, под действием ионизирующего излучения заданной энергии, осуществляется бомбардировка материала, формирующего покрытие (мишень), что приводит к частичной или полной его ионизации. В качестве данного материала могут выступать металлы (включая тугоплавкие), сплавы (в том числе и многокомпонентные), полупроводники.

2. Происходит ионное распыление, то есть ионы материала падают на рабочую поверхность режущего инструмента (подложку), тем самым, производя процесс формирования покрытия.

Данный метод реализуется при давлениях 1-10 Па и напряжениях 0,3-

5 кВ.