Ионно–плазменные покрытия на основе нитридов и карбидов переходных металлов с регулируемой стехиометрией (стр. 33 )

4. Рентгеноструктурным анализом установлено, что покрытие на основе карбида титана, сформированное на стали Р6M5К5, содержит фазу TiC (с решеткой типа В1 и периодом а =0.4331±0.0010 нм). Размер кристаллитов фазы TiC, определенный из уширения дифракционных линий, очень мал – D £ 10 нм. Покрытие имеет очень высокодисперсную микроструктуру или является аморфным. Максимум этой «диффузной» линии не совпадает по положению с линиями фазы TiC стехиометрического состава.

Методом спектроскопии Оже–электронов установлено, что покрытие на основе TiСx, нанесенное на подложку из стали Р6М5К5 при давлении ацетилена 1.1Па, содержит 70 мас. % TiC и 30 мас. % С (расчет– 71.3 мас.%TiC1.0 + 28.7 мас.%C) , а сформированное при давлении ацетилена 0.004 Па, содержит 83 мас. % TiC и 17 мас. % С (расчет– 82.4 мас.%TiC0.60+17.6 мас.% С).

По данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (ФЭС), углерод в покрытии TiCх+ C находится в алмазоподобном состоянии.

Экспериментально установлено, что покрытие на основе ZrCx, нанесенное при давлении ацетилена 0.7 Па, содержит в мас. %: 70.7% ZrC и 29.3%С, а при давлении ацетилена 0.007–0.008 Па оно состоит только из нестехиометрического карбида –ZrC0.78.

5. Термодинамическим расчетом показано, что нитриды титана и хрома в покрытиях образуют при температурах до 500оС, давлениях (0.04–0.28 Па) и скоростях осаждения (0.2–1.0 мкм/мин) непрерывный ряд твердых растворов (Ti, Cr)Nх на базе мононитридов. Фазовым рентгеноструктурным и микрорентгеноспектральным анализами установлено, что покрытие в основном состоит из твердого раствора (Ti, Cr)N0.47 с решеткой ГЦК типа NaCl.

Расчет показал, что при росте температуры свыше 500С покрытие становится гетерофазным, включающим наряду с твердым раствором (TiCr)N либо динитрид хрома – Cr2N при (600С), либо хрома – Cr (при 700С).

6. Показано, что в системе V–Cr–N образуются твердые растворы на базе моно– и динитридов ванадия и хрома – (V, Cr)N и (V, Cr)2N. Термодинамический расчет показал, что если при одинаковых скоростях осаждения хрома и ванадия (VCr/VV=1) соотношение VN и CrN приблизительно равно 49.23 и 50.76 мас.% соответственно (при 0.27 Па и 200–400С), то при соотношении скоростей осаждения VCr/VV=0.7 количество VN в твердом растворе (V, Cr)N увеличивается на 15 мас.%.

Микрорентгеноспектральным и фазовым рентгеноструктурным анализами установлено, что в случае VСr/Vv=1 покрытие содержит 34 мас.% хрома, 56 мас.% ванадия и 10 мас.% азота и имеет фазовый состав – 89 % (V, Cr)2N, 11%(V, Cr)N. При соотношений скоростей напыления хрома и ванадия VСr/Vv=0.7 существенно изменяется химический состав покрытия: возрастает концентрация ванадия с 56 до 68.6 % и уменьшается содержание хрома в покрытии с 34 до 22.4 мас.%; содержание азота изменяется незначительно – уменьшается с 10 до 9 мас.%. Соотношение фаз в покрытии меняется в сторону уменьшения доли твердого раствора на базе динитридов ванадия и хрома: 79 % (V, Cr)2N; 21 % (V, Cr)N. Сопоставление расчетных данных с экспериментальными показывает их хорошее соответствие.

7. Исследована зависимость эксплуатационных свойств ионно–плазменных покрытий, содержащих нитриды титана, хрома, ванадия и твердые растворы на их основе, от легирования. Установлено, что микротвердость (Н0.5Н) исследованных покрытий изменяется в пределах 16–30 ГПа. Среди изученных покрытий самой высокой твердостью обладает нитрид титана–TiN0.84 (26–30 ГПа). Легирование TiN хромом [(Ti0.55Cr0.45)Nу] уменьшает его твердость до 20–22 ГПа. Аналогичная тенденция снижения микротвердости наблюдается и при легировании нитрида ванадия (VN0.68) хромом. Микротвердость покрытия на основе нитридов хрома (74 % Cr2N, 26 % CrN) колеблется в пределах 16–20 ГПа.

Исследования микрохрупкости покрытий на основе нитридов хрома, титана, ванадия и твердых растворов (TiхCr1–х)Nу, (Vх, Cr1–х)2Nу+(Vх, Cr1–х)Nу, показали, что наибольшей хрупкостью обладает TiN0.84. Легирование нитридов титана и ванадия хромом уменьшает микрохрупкость покрытия.

Износостойкость образцов и инструмента с покрытиями в 1.1–3.5 раза выше, чем без них. При этом наибольшей износостойкостью обладают стали с многокомпонентными покрытиями на основе твердых растворов (Ti0.55Cr0.45)Nу и (Vх, Cr1–х)2Nу+(Vх, Cr1–х)Nу. Эти покрытия на быстрорежущей стали при температуре 600С существенно (в 2.5 – 3 раза) повышают её жаростойкость.

8. Исследовано влияние состава покрытий на стойкость режущего инструмента, работающего в условиях схватывания с обрабатываемой деталью при температурах, выше которых может наступить перенос. Величиной, характеризующей относительную сопротивляемость металла указанному взаимодействию, выбрано время ti, необходимое для разогрева материала в месте контактирования до критической температуры. Условие надежной работы инструмента с покрытием: [ ti покрытия на инструменте / ti заготовки ] > 1.

Показано, что в большинстве случаев повышенной износостойкостью при обработке стали, сплавов титана и никеля обладают карбиды и нитриды переходных металлов и в первую очередь нитриды IV группы и карбиды V группы. Установлено, что выбранный метод расчета дает хорошее соответствие с экспериментальными данными о повышении износостойкости инструмента из сталей У8, Р6М5К5, твердых сплавов Т15К6 и ВК6 за счет нанесения карбидных и нитридных покрытий в процессе резания сталей 20 и 45.

Показано, что покрытия на основе нитридов и карбидов переходных металлов, согласно расчетным и экспериментальным данным, можно расположить по убыванию износостойкости (при обработки стали 45, титановых и никелевых сплавов) в следующей последовательности: TaC0.96 ,WC, TaC0.8 , HfC, TiC0.96 , ZrC0.97 , TiN0.83 , ZrN, HfN, VC0.9 , TaN, W2C и др.

9. Склерометрическим методом определены механические свойства и адгезионная прочность ионно–плазменных покрытий на основе ниобия, циркония, нитрида циркония, титана и его сплавов (Ti– 5.6V– 1Al, Ti–15Co–6.6 Cr), сформированных на хромазотистой стали Х24А1. Показано, что по уменьшению адгезионной прочности с основой все исследованные покрытия можно выстроить в следующей последовательности: сплав (Ti–15Co–6.6Cr), Zr, ZrN, Ti, Nb, сплав (Ti–5.6V–1Al).

10. Предложена усовершенствованная методика расчета напряжений в многослойных покрытиях (с использованием программы на языке «Фортран»), учитывающая различные сочетания материалов как подложки, так и защитных слоев. Рассчитаны остаточные напряжения в покрытиях на основе Ti, Zr, Nb, TiNх, ZrNх и NbN.

Определение остаточных макронапряжений в покрытиях рентгенографическим методом показало, что они в покрытиях на основе ZrNх и TiN0,84 являются сжимающими и равны соответственно s=–39±235 МПа и s=– 4457±944МПа. Получена удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных данных по характеру напряженного состояния на образцах с покрытиями на основе TiN0.84 , Zr и Nb. Показано, что существенное влияние на величину остаточных напряжений оказывает химический состав (наличие нестехиометрии) нитридных покрытий: у образцов с покрытиями на основе нитрида титана величина сжимающих напряжений возрастает (по абсолютной величине) от – 2244 до – 5250 МПа с уменьшением содержания азота в нитриде от TiN1.0 до TiN0.68. При формировании покрытий на основе нитрида циркония зависимость величины сжимающих напряжений от содержания азота в нитриде имеет экстремальный характер: максимальные сжимающие напряжения характерны для нитрида состава ZrN0.86, а минимальные – для ZrN0.75 и ZrN1.0 .

11. Показано, что свойства покрытий регламентируются универсальными технологическими параметрами процесса КИБ, такими как: давление реакционного газа, температура подложки и скорость осаждения. Установлено, что эти параметры позволяют прогнозировать режимы формирования покрытий оптимального состава с заданными свойствами.

Широко используемые (наряду с отмеченными выше) при формировании покрытий регулирующие параметры процесса: ток разряда, потенциал смещения, индукция магнитного поля, продолжительность напыления и др. могут быть универсальными лишь в рамках определенной модификации установок.

12. Разработан технологический процесс формирования одно – и многокомпонентных карбидных и нитридных покрытий с заданными свойствами на режущем инструменте (сверла, метчики, фрезы). Разработанные ионно–плазменные нитридные покрытия апробированы на метчиках и сверлах при обработке титанового сплава ВТ–22 и стали 12Х18Н10Т в условиях серийного производства в Государственном акционерном обществе Ташкентского авиационного производственного объединения им. .

Установлено, что стойкость сверл с (Cr, Ti)N – и TiN – покрытиями, в среднем, 1.8–2 раза выше серийных, а с покрытием (V, Cr)2N+(V, Cr)N – в 3.5 раза. Износостойкость метчиков с ионно–плазменными покрытиями на основе (Cr, Ti)N (при нарезании резьбы на каретках закрылков из сплава ВТ–22) в среднем, 2.6 раза выше, чем без покрытия.

Показано, что износостойкость концевых фрез из быстрорежущей стали Р6М5К5 с многокомпонентными покрытиями на основе нитридов ванадия и хрома в 2.5–3 раза выше, чем без покрытия при обработке самолетных деталей из титанового сплава ВТ–22.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. , , // Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1973. Т.9 №7. С. 1169 – 1171; №8. С. 1358 – 1361.

2. , Комбинированное упрочнение режущего инструмента нанесением покрытий методом КИБ с последующим эпиламированием // Двигателестроение. 1989. №4. С. 36–37.

3. Исследование абразивных свойств и взаимодействия тугоплавких инструментальных материалов с обрабатываемыми поверхностями: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Киев, 1975. 27с.

4. , Влияние характера связи в бескислородных тугоплавких соединениях на их свойства в процессах абразивной обработки// Физико–химические свойства тугоплавких соединений и сплавов: Сб. научных работ. Киев: Институт сверхтвердых материалов, 1981. С. 107–114.