Введение 4
Глава 1. Литературный обзор 6
1.1 Формование керамических изделий методом литья 6
1.2 Многослойные покрытия для защиты режущего инструмента 7
1.2.1 Покрытия для режущего инструмента 7
1.2.2 Принцип формирования многослойного покрытия 9
1.2.3 Нанесение износостойких покрытий 11
1.2.3.1 Материалы применяемые в качестве покрытий и их требования. 12
1.2.3.2 Подготовка поверхности перед нанесением покрытий 16
1.2.3.3 Методы нанесения износостойких покрытий 19
1.2.4 Механические свойства многослойных покрытий 25
1.2.4.1 Фрикционные свойства инструментальных материалов с
износостойким покрытием 25
1.2.4.2 Окисляемость инструментальных материалов с покрытиями .... 27
1.2.4.3 Прочность инструментальных материалов с покрытием 28
1.2.4.4 Механизмы износа инструмента 29
Глава 2 Материал и методики эксперимента 33
2.1 Методика получения образцов и их исследования 33
2.1.1 Методика приготовления керамического композитного катода на
основе SiC-AlN 33
2.1.2 Методика приготовления подложек 35
2.1.3 Методика проведения физическое осаждение покрытия 35
2.1.4 Методика проведения фазово-структурный анализ 36
2.1.5 Микроструктурные исследования 36
2.1.6 Определение элементного состава 37
2.1.7 Определение микротвёрдости 37
2.1.8 Определение адгезионной и когезионной прочности 38
2.2 Техника безопасности 38
Глава 3 Результаты исследования и их обсуждение 41
3.1 Анализ экономической целесообразности проведения работ 52
Выводы 55
Список использованной литературы
Современное высокоскоростное металлообрабатывающее оборудование предъявляет повышенные требования к качеству режущего инструмента. Из большого многообразия методов повышения работоспособности режущих инструментов следует выделить методы нанесения износостойких покрытий, которые в последние годы находят все более широкое применение.
Нанесение жаро- и износостойких покрытий на металлообрабатывающий инструмент помогает существенно увеличить срок его эксплуатации, увеличить скорость обработки материала, что существенным образом сказывается на себестоимости обрабатываемых изделий. Кроме того, нанесение покрытий помогает уменьшить налипание материалы на режущий инструмент в случае обработки вязких, плохо отводящих тепло материалов, как титановые, никелевые сплавы, нержавеющие стали аустенитного класса. В последние годы были разработаны покрытия для обработки таких сплавов на основе многокомпонентных растворов нитридов металлов переходной группы, воридов и силицидов, благодаря которым существенно повысились эксплуатационные свойства режущего инструмента.
Несмотря на существенные достижения в данной области, разработка новых одно- и многослойных покрытий, получаемых методами химического и физического осаждения, является актуальной научной и прикладной задачей. К сожалению, в настоящее время отсутствует научно обоснованная теория, четко описывающая принципы формирования жаро- и износостойких покрытий. Последнее приводит к тому, что часто покрытия одного состава или строения рекомендуют использовать для различных методов механической обработки и, следовательно, для различных условий резания и, наоборот - для одного и того же вида обработки рекомендуют разные покрытия.
Исследования процесса резания инструментом с износостойкими покрытиями показывают, что выбор состава и конструкции покрытия должен проводиться исходя из условий, в которых работает режущий инструмент, и требований, которые к нему предъявляются в данных условиях резания. Для этого необходимо иметь данные о механизме износа режущего инструмента и разрушения покрытий в процессе резания, сведения о тепловом и напряженном состоянии режущего клина инструмента с покрытием.
В настоящее время не существует универсальных материалов, которые с равным успехом могли бы обрабатывать различные по физическим и механическим свойствам инструментальные материалы. Кроме того, даже при обработке одного и того же материала могут применяться различный инструмент, например, в случае чернового, обдирочного точения, когда инструмент работает в прерывистом режиме и испытывает сильные ударные нагрузки, или же в случае чистовой обработки. В этом случае область применения современных обрабатывающих инструментов определяется их физико-механическими свойствами и режимами обработки. Особое значение для эксплуатационных характеристик инструмента в целом имеет свойства контактных площадок (режущих кромок). Повышение износостойкости контактных площадок режущего инструмента может быть обеспечено применением различных методов поверхностной упрочняющей обработки (химико-термической, деформационной, нанесением износостойких покрытий, модификацией свойств поверхностного слоя инструмента и другими способами). В работе рассмотрены физические и технологические основы современных методов нанесения покрытий, поверхностного легирования, термической обработки, показано их влияние на физико-механические свойства поверхностного слоя и эксплуатационные показатели режущего инструмента. Работа предназначена для инженерно-технических и научных работников, занимающихся вопросами исследования ,разработки технологии нанесения, и практического применения износостойких покрытий для обработки труднообрабатываемых материалов.
Методом мегнетронного распыления композиционной мишени в атмосфере аргона и газовой смеси Ar+N были получены покрытия SiC-AlN на поверхности нержавеющей стали и монокристаллического кремния.
1. Было обнаружено, что при нанесении покрытий в атмосфере рабочего газа 44%Ar+56%N концентрация азота в покрытии возрастает с 23% до 35%, а содержание углерода падает от 26% до 11%.
2. Соотношение алюминия и кремния при изменении состава остаточного газа не меняется.
3. Добавление в камеру к аргону 56% азота приводит к уменьшению твердости и адгезионной прочности полученных покрытий.
4. Исследование микроструктуры показало, что оба покрытия состоят из зерен размером в несколько десятков нанометров. Установлено, что добавление к аргону азота в вакуумной камере приводит к незначительному увеличению среднего диаметра зерен с 67,7 нм до 72.5 нм.
5. Измерение толщины покрытий обнаружило, что добавление в камеру к аргону 56% азота приводит к уменьшению скорости роста покрытия в
2.5 раза. Толщина покрытия, нанесенного в атмосфере разряженного аргона составляла 6.7 мкм., а с добавлением азота 2,7 мкм.
6. Исследование фазового состава покрытий с помощью метода рентгеновской дифрактометрии установило, что при распылении катода из композитного материала SiC-AlN, керамическое покрытие, составляющие которого при нормальных условиях имеют гексагональные решетки, кристаллизуются в ГЦК решетке, причем в процессе напыления реализуется эпитаксиальный когерентный рост керамических покрытий на стальной подложке. Добавление азота в состав газовой смеси (аргон+азот) приводит к появлению дополнительных фаз с решеткой ОЦК и третьей сильно текстурированной фазы.
Таким образом, изменения микротвердости, износостойкости и адгезионных свойств, и структуры покрытий системы Si-C-Al-N при добавлении азота в камеру для напыления связано с изменением фазового состава и условий кристаллизации покрытий на поверхности подложки.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
