Нанопокрытия для металлорежущего инструмента

Ответ:

Наиболее эффективным методом направленной модификации поверхностных свойств инструментального материала является нанесение функциональных покрытий на рабочие поверхности режущего инструмента.

Последовательное нанесение нескольких видов покрытий обеспечивает дополнительную прочность режущей кромки, эффективный теплоотвод из зоны резания, низкую адгезию с обрабатываемым материалом, демпфирование и уменьшение виброакустических явлений за счет многослойности покрытий.

Типы нанопокрытий

Микрозернистые по структуре вакуумно-дуговые покрытия на основе соединений тугоплавких металлов характеризуются высокой твёрдостью (20...35 ГПа), износостойкостью, низкими коэффициентами трения, однако их недостаток - значительная хрупкость, что ухудшает эксплуатационные характеристики покрытий. Анализируя существующие нанопокрытия, можно выделить три основные группы:

- наноструктурные покрытия, в отличие от традиционных, совмещают в себе повышенную микротвердость и достаточную пластичность. Поведение нанокристалических материалов с размерами зерен 10 нм и менее определяется главным образом процессами в пограничных областях, поскольку количество атомов в зернах сравнимо или меньше, чем в их границах. Это обстоятельство существенно изменяет характер взаимодействия между соседними зернами, например, тормозит генерацию дислокаций, препятствует распространению трещин из-за упрочнения границ зерен. При этих условиях дислокации в нанозернах отсутствуют (рис. 1 а).

а) наноструктурное	б) нанокомпозитное	в) нанослойное
Рис. 1 - Типы нанопокрытий

- нанокомпозитные покрытия состоят из основной нанокристаллической твердой фазы, на границах зёрен которой располагается тонкий слой второй нанокристаллической или наноаморфной фазы. Таким образом, твёрдые зёрна упрочняющей фазы разделены между собой тонкими прослойками атомов другой фазы. Такие покрытия обладают сверхвысокой твёрдостью, большими коэффициентами упругого возврата, высокой термостойкостью (рис. 1 б).

Ультрадисперсные материалы с увеличенной площадью межзеренных границ имеют более сбалансированное соотношение между твердостью, оказывающей определяющее положительное влияние на износостойкость и прочностными характеристиками материала, в том числе и в условиях действия циклических термомеханических напряжений.

- нанослойные покрытия обладают повышенной трещиностойкостью. Предпосылки для их получения возникли еще 20 лет назад, при разработке многослойных покрытий на основе TiN/NbN, TiN/VN, (TiAl)N/CrN и др. с чередующимися слоями металлов или соединений. Нанослойные покрытия обладают различными внутренними напряжениями (модулями упругости) и близкими по величине коэффициентами термического расширения. Толщина отдельных слоёв должна быть настолько мала, чтобы внутри них не появлялся источник дислокаций, а дислокации, которые под действием напряжений двигались бы к границе раздела из более мягкого слоя, отталкивались бы силами, создающимися упругими напряжениями в более твёрдом слое. Общее количество слоев покрытия выбирается в зависимости от решаемых технологических задач и в ряде случаев может достигать двухсот (рис. 1 в).

Таким образом, создание покрытий для режущего инструмента нового поколения наиболее эффективно осуществлять при использовании инновационной концепции многослойно-композиционных архитектуры с нанометрической структурой и чередующимися слоями наноразмерной толщины различного композиционного состава и функционального назначения.

Рис. 2 - Твердость покрытий по HV

Титановые покрытия значительно повышают поверхностную твердость основы даже при очень высоких температурах, в результате износостойкость инструмента многократно увеличивается. За счет снижения трения между инструментом и объектом обработки, зачастую отпадает необходимость применять охлаждение, а скорость работы возрастает от 10 до 50 %. Обыкновенно, их используют для обработки твердосплавных инструментов, например, сверл и разнообразного режущего оборудования. Покрытие нитрид титан-алюминия (TiAlN) позволяет сохранять твердость 2800 HV даже при температуре 7500, применяется для работы по материалам сложным для обработки. Нитрид титана (TiN) остается твердым при 5400, его используют для модификации хирургических инструментов и оборудования пищевой промышленности. Очень твердое покрытие карбонитрид титана 4000 HV (TiCN) применяется для работы по чугуну, кремнистому алюминию, абразивным материалам.