Материал: Упрочнение режущих инструментов, используемых в кожевенно-меховом производстве с применением плазменных нанотехнологий

Время процесса напыления в соответствии с островковой моделью нанесения покрытий нелинейно увеличивает толщину покрытия: в начальный момент роста пленка формируется в виде островков и интенсивность отражения частиц от подложки сравнительно мала; при дальнейшем росте островки начинают сливаться, доля покрытой поверхности увеличивается и увеличивается равновероятность прохождения процессов осаждения и распыления покрытия. Следовательно, толщина покрытия интенсивно возрастает в течение первых 1,5-2 минут, а в дальнейшем ее рост замедляется (рисунок 4.2). При увеличении толщины пленки ухудшаются морфологические свойства покрытия, поэтому максимум прочностных характеристик приходится на ее размер в пределах 5..10 мкм [28].

Рисунок 4.1 - График зависимости толщины покрытия от времени конденсации.

С изменением давления азота в камере цвет покрытия образцов изменяется от светло-золотисто-желтого(P = 0,035 Па) до темно-золотисто-желтого(P = 1,04 Па). У образца, напыленного при P = 0,013 Па, цвет покрытия светло-серо-желтый. При низком давлении азота (P = 0,013-0,035 Па) образуются плотные бестекстурные беспористые покрытия с большим содержанием капельной фазы, которая в случае расположения на границе конденсат - подложка является причиной снижения прочности их сцепления. Такое большое содержание капельной фазы объясняется снижением реакционной способности азота и увеличением длины свободного пробега ионов титана при низких значениях давления реакционного газа. При давлении азота P = 0,058-0,81 Па формируется мелкая плотная текстура, близкая к стехиометрическому составу TiN, которая характеризуется оптимальным, с точки зрения металлических свойств, соотношением металлической и ионной составляющих связи. При этом содержание капельной фазы уменьшается, а количество пор и отслоений увеличивается. При дальнейшем повышении давления большое число свободных ионов азота приводит к резкому увеличению количества пор и отслоений.

Рисунок 4.2 - Зависимость микротвердости TiN - покрытия от давления азота

Проанализировав результаты исследования, можно сделать вывод о том, что образцы, полученные при давлении азота Р = 0,081-0,81 Па, имеют наиболее равномерно распределенную мелкую плотную структуру, минимальное содержание капельной фазы, пор, наплывов, отслоений и наибольшие значения микротвердости (рисунок) и, следовательно, будут наиболее работоспособны при использовании на режущих инструментах.

Исследовался рельеф образцов методами сканирующей зондовой микроскопии, наноиндентирования и склерометрии с помощью сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-3D». Микроскопический анализ пленок выявил неоднородность структуры и образование микрокапельной металлической фазы (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 - Рельеф образца. СЗМ (сканирующий зондовый микроскоп) изображение. Размер изображения 15,4×25,4 мкм.

Основным недостатком установки ННВ6.6-И1 является наличие "капельной фазы", т.е. капель металла вырванных с поверхности катода при его плавлении. Дефекты покрытия от "капельной фазы" проявляются в виде повышения параметра шероховатости, выступания капель металла над покрытием и получению неоднородного покрытия из нитридов и капель металла в нем.

Для исключения микрокапельной металлической фазы разработана дополнительная система способствующая уменьшению пористости покрытия, уменьшению шероховатости, повышению стойкости. Каплеуловитель выполнен из керамического материала, электрически изолирован от корпуса и установлен от катода на расстоянии, равном диаметру катода, причем диаметр каплеуловителя равен диаметру катода.

Рисунок 4.4 - Устройство улавливания капельной фазы металла дуговых испарителей: катод-2, вакуумная камера-1, каплеуловитель-9

Условие электроизоляции каплеуловителя от всех элементов устройства обеспечивает высокую производительность процесса, благодаря беспрепятственному прохождению в объем камеры ионов испаряемого металла, которые в основном и формируют покрытие. Данное устройство позволяет получать качественные однородные конденсаты без капельной фазы с высокой производительностью. Данное устройство является патентоспособным. Нами подана заявка на получение патента на полезную модель №2011113754 от 08.04.11.

.2 Характеристики нитридтитанового покрытия

Для определения характеристик и режимов нанесения покрытия в качестве подложки использовали металлорежущие инструменты. Основными параметрами, которыми следует оперировать для управления свойствами покрытия, являются следующие: давление реактивного газа в камере, ток дуги испарителя, напряжение ионной очистки опорное напряжение, время нанесения покрытия. Как показали эксперименты исследования, протекание процесса нанесения покрытия зависит от массы инструмента, его геометрических размеров и количества инструментов, загруженных в камеру. Для равномерного прогрева необходимо загружать в камеру инструменты одного типоразмера.

Начальная очистка инструмента осуществляется в тлеющем разряде с плавным увеличением напряжения. При появлении на поверхности инструментов микродуговых разрядов напряжение фиксируют. После очистки тлеющим разрядом проводится ионная бомбардировка поверхности инструментов с одним работающим испарителем. Об окончании ионной очистки свидетельствует постоянное и неменяющееся напряжение очистки. Нанесение покрытия осуществляется на двух испарителях при постоянном контроле температуры инструмента пирометром AR862K - бесконтактный ИК термометр (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 - Пирометр бесконтактный AR862K.

Величины всех параметров нанесения покрытия приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1- Параметры нанесения покрытий.

Особенности, присущие технологическому процессу нанесения износостойких покрытий методом КИБ, накладывают некоторые ограничения на характер размещения инструментов в камере установки. Конструкция приспособлений должна обеспечивать равномерное нанесение покрытия и постепенный разогрев инструмента. Приспособления должны иметь минимальную массу, надежно контактировать с инструментом, не затенять рабочих элементов инструмента и исключать соприкосновение отдельных инструментов друг с другом при вращении.

С учетом указанных требований было разработано два типа приспособлений: для нанесения покрытия на мездрильные дисковые ножи (рисунок 4.1) и для нанесения на метчики, фрезы и сверла (рисунок 4.2).

Рисунок 4.5 - Приспособление для нанесения покрытий на мездрильные дисковые ножи.

Рисунок 4.6 - Приспособление для нанесения покрытий на метчики фрезы и сверла.

Технологическую оснастку необходимо разместить в центре вакуумной камеры точно напротив выходов электродуговых испарителей в зоне наибольшей концентрации ионов испаряемого материала. Приспособление для крепления дисковых ножей представляет собой полую цилиндрическую конструкцию, выполненную из нержавеющей стали (12ХН10Т), диаметром 30 мм и высотой 260 мм. Приспособление устанавливается в центральное гнездо планетарного механизма вращения. Дисковые ножи для упрочнения горизонтально одеваются на цилиндрическую часть технологической оснастки и зафиксируется с помощью шплинтами 5x40 ГОСТ 397-79. Во время обработки приспособление вращается, что обеспечивает равномерное нанесение покрытия. Для нанесения использовались катоды из титана (ВТ1- 00) и азот по ГОСТ 9293-74.

Для крепления фрез, сверл и метчиков использовали технологическую оснастку, показанное на рисунке 4.6. Перечень металлорежущих инструментов показаны в таблице 4.1, где указаны их характеристики до упрочнения и после упрочнения. Металлорежущие инструменты испытывались в производственных условиях в ООО «Татнефть-МехСервис» г. Альметьевск.

Таблица 4.1 - Перечень упрочняемых металлорежущих инструментов и их характеристики.

Из таблицы 4.1 видно, что покрытие защищает металлорежущий инструмент и повышает его стойкость в 2-3 раза.

Толщину покрытий определяли на изломах пленок, нанесенных на хрупкие твердосплавные подложки. В качестве хрупкого материала использовали поликорунд 20х40. Толщина покрытия при таких режимах нанесения составила 3-4 мкм.

Для определения увеличения микротвердрсти после упрочнения в качестве объекта исследования были выбраны образцы от стационарных ножей рубильных и стригальных машин кожевенно-мехового производства, а также образцы из стали У7А, 40Х12, 12Х19Т. Далее определяли микротвердость. В таблице 4.2 указаны значения микротвердости образцов до нанесения и после нанесения покрытия.

Таблица 4.2 - Микротвердость образцов.

Рисунок 4.7 - Диаграмма микротвердости образцов

Микротвердость измерили на микротвердомере ПМТ-3М с нагрузкой на индентор 100г. Из рисунка видно что, микротвердость образцов после нанесения нитридтитанового покрытия возрастает до 2 раза и зависит от исходной твердости поверхности. Это связано с тем, что при толщине 3-4 мкм и при нагрузке на индентор 100г алмазная пирамидка микротвердомера ПМТ-3М проходит сквозь покрытие. А при меньших нагрузках на индентор не удалось обнаружить отпечаток алмазной пирамидки на поверхности покрытия.