Химического или физического осаждения

Наиболее значительное возрастание износостойкости инструмента при нанесении покрытий может быть получено при повышении твёрдости поверхности и одновременном улучшении антифрикционных свойств. Для этих целей используются покрытия на основе Ni-P, недостатком которых является склонность к отслаиванию.

Для предотвращения отслаивания химических покрытий на основе Ni-P, нанесённых на стали У8А, У10А, Р6М5, Р18 и др. методом химического осаждения использовалась лазерная обра­ботка. Лазерная обработка проводилась на установке "Квант 16" при плотностях мощности 80-120 кВт/см². Оптимальная толщина покрытия составляла 10-30 мкм. При толщине более 30 мкм поглощается большая часть энергии, что снижает эффективность термической обработки. При плотности мощности <100 кВт/см² не образуется кратеров на поверх­ности. ЛО при q ~ 90 кВт/см² приводит к снижению пористости, к "залечиванию" поверхност­ных дефектов, микротрещин, удалению водорода из поверхностных слоёв стали, повышению адгезионной прочности. Твёрдость упрочнённого слоя зависит от плотности мощности (табл.20.14.).

 

Таблица20.14.

Зависимость твёрдости покрытия Ni-P от плотности мощности при лазерной

обработке

Сталь	Твёрдость; Н, ГПА при плотности мощности кВт/см²
	0	20	40	60	80	100	120
У8	4/10,5	6,5/10	6/7,3	5,5/6,5	5,5/6,5	5,5/6,5	5,5/6,5
Х12М	4,5/10,5	5,5/9	6,2/7,5	6,2/7,5	5,5/7,6	5,3/7,6	5,3/7,6
Р18	4,5/10,5	7,5/9	8/7,5	6,2/5,5	5,8/5,5	5,8/5,5	5,8/5,5
Примечания: 1. Твёрдость Ni-P покрытия, приведенная над чертой, - после ЛО до нагрева, под чертой после ЛО и нагрева до 300-400^оС. Максимальная твёрдость зависит от плотности мощности различно для сталей разных марок. 2. Твердость при нагреве до 300-400ºС повышается за счёт образования фазы Ni3Р.

 

После ЛО твёрдость покрытий возрастает на 10-60% по сравнению с твёрдостью покрытия без ЛО, антифрикционные свойства возрастают в 1,5 раза по сравнению с покрытием без лазерного облучения и в 2,8 раза по сравнению со стальной подложкой, при этом повышается изно­состойкость.

Для повышения износостойкости режущего инструмента изготовленного из быстрорежущей стали и твёрдых сплавов на рабочие поверхности наносятся вакуумно-плазменные покрытия TiN, (TiZr)N, (TiZr)CN и др. на установке типа "Булат" 6. Однако и эти покрытия скалываются и растрескиваются, что объясняется недостаточной адгезией и высокими остаточными напряжениями. Лазерная обработка композиции "покрытие-материал инструмента" (основа – сталь Р6М5К5 или твёрдый сплав ВК8) приводит к повышению прочности сцепления покрытия с подложкой, что уменьшает коэффициент отслоения на~ 40%. При ЛО уменьшается размер зерна покрытия, полученного методом КИБ (катодно-ионной бомбардировки), изменение структуры приводит к благоприятному изменению свойств. Лазерная обработка композиции "покрытие-материал инструмента" повышает износостойкость в 1,7-2,2 раза по сравнению с режущим инструментом из стали Р6М5К5, не обработанным лазерным излучением. Лазерная обработка проводилась на установке "Квант 15"

20.1.5. Многофункциональные тонкопленочные покрытия, наноструктурные защитные  износо- и коррозионно- стойкие покрытия.

Для повышения износостойкости инструмента широко используются в машиностроении и металлообработке многофункциональные тонкопленочные покрытия (толщина покрытия не превышает, как правило 1-5мкм), на основе тугоплавких химических соединений таких как TiN, TiAlN, TiZrN и др., имеющие высокие значения твердости (до 30-35 ГПа и низкий коэффициент трения. [1], наносимые при использовании ионно- плазменной вакуумной технологии. С аналогичной целью может наносится тонкоплёночное покрытие на основе SiC - SiO₂ (технология финишного безвакуумного плазменного упрочнения –ФПУ), образующее равномерный плотный слой плёнки толщиной 0,5-3мкм. повышающее износостойкость, сопротивление пластической деформации, твердость покрытия составляет ~12 ГПа, при твердости основы ~8ГПа. ФПУ и другие технологии нанесения тонкопленочных покрытий повышают стойкость резцов до 2,5-3 раз по сравнению со стойкостью резцов без покрытия.[2-5] Тонкоплёночные износостойкие покрытия могут наноситься с использованием методов физического осаждения(PVD): плазменная и лазерная технологии. Широко применяются также методы химического осаждения (CVD). Применение каждой из технологий обусловлено прежде всего свойствами инструментальных материалов (при рабочей температуре упрочнения не должны изменяться физико- механические свойства), а также областью использования инструмента. Хрупкость тонкопленочных покрытий существенно снижает их эксплуатационные свойства. Возможности совершенствование поверхностного слоя на микроуровне в настоящее время практически исчерпаны. Значительные перспективы развития и последующего применения в машиностроении имеют следующие технологии: создание наноструктурных защитных износо- и коррозионно- стойких покрытий и наноструктурных инструментальных материалов (материалы со структурой размеры зерен которой состовляют менее 100нм). Поведение нанокристаллических материалов с размерами зерен ~ 10нм и менее определяются в основном процессами в пограничных областях, поскольку количество атомов в зернах сравнимо или меньше, чем на границе. Это тормозит генерацию дислокаций, препятствует распространению трещин из-за упрочнения границ. Появляется новый механизм деформации- скольжение по границам зерен, который заменяет дислокационный. Это создает новые уникальные свойства нанокристаллических материалов. Перспективными для промышленного применения в машиностроении являются следующие технологии: создание наноструктурных инструментальных материалов для изготовления режущих инстументов и наноструктурных износо- и коррозионно - стойких покрытий. Наиболее значительные результаты получены при использовании технологий, обеспечивающих получение наноструктурных износостойких покрытий. Для увеличения сопротивления пластической деформации нужно при высокой твердости стремиться к уменьшению внутренних напряжений в покрытии, что имеет место при размерах зерен менее 10 нм. Так за счет уменьшения размеров зерен в покрытиях TiN их твердость (Н) может быть увеличена с 33 до 56- 70 ГПа. В настоящее время используются 2 способа управления размерами зерен: ионная бомбардировка и смешивание. При ионной бомбардировке размер зерен уменьшается с 300нм до 8-10нм. При смешивании(модифицировании) производится добавление одного или нескольких элементов в основной материал пленки. Эти элементы должны сегрегироваться по границам зерен основного элемента в виде очень мелкозернистого или аморфного слоя. Могут быть получены наноструктурные покрытия как однослойные так и многослойные. При этом микротвердость многослойных тонкопленочных покрытий зависит от толщины слоев. С уменьшением толщины слоев размеры зерен уменьшаются и остаются в пределах 15-50нм, твердость при этом увеличивается. При общей толщине пленки ~ 2 мкм микротвердость возрастает с увеличением  числа слоев, достигая для TiN-NbN и TiN-ZrN ~ 70ГПа (табл.20.15). 

Та б л и ц а 20.15.

Зависимость микротвердости от числа слоев многослойных пленок.

Состав покрытия	Микротвердость покрытия, ГПа при числе слоев
	1	10	60	120	180
TiN-NbN	20-30	35	56	65	70
TiN-ZrN		30	50	55	65
TiN-CrN		25	40	45	35

 

Как видно свойства многослойных наноструктурных покрытий зависят от толщины слоев, контролировать которую при производстве реальных изделий достаточно трудно. Поэтому получение нанокомпозитных пленок вызывает все больший интерес, поскольку они являются однослойными, состоящими из одной твердой нанокристаллической фазы, на границах зерен которой располагается тонкий слой второй нанокристаллической или аморфной фазы, препятствующей росту зерен основной фазы.

Наиболее технологичны нанокомпозитные покрытия группы НК- МеN – мягкая фаза (TiN- Сu, ZrN- Сu,; CrN- Ni, ZrN- Ni, и др.) Для их нанесения использовали ионное распыление мишеней из меди и титана, вакуумно- дуговой и др. способы. В системе TiN- Сu наибольшую твердость (~30ГПа), внутренние напряжения и упругость имеют покрытия с размером зерен более 10нм при содержании меди ~ 1,5 aт. %, а при меньших размерах зерен формируются менее твердые и более пластичные покрытия. В системах ZrN- Сu и ZrN- Ni максимальная твердость 54 и 57 ГПа достигается при 1,2% aт. %Сu, при размерах зерен ~ 35нм и Ni~ 4 aт. %. Очевидно, механические характеристики нанокристаллических покрытий сильно зависят от состава фаз.

Перспективной является технология формирования наноструктурного слоя на поверхности конструкционного материала, из которого изготовлена деталь. Размеры зерен, соответствующие параметрам нанокристаллических структур были получены при лазерно- плазменной обработке в среде инертных газов поверхности быстрорежущей стали, (твердость основы ~8 ГПа), после дополнительной поверхностной обработки на импульсной лазерной установке ЛТУ 2М, твердость поверхности составляла ~12ГПа, размеры зерен в центре зоны лазерной обработки составляли ~10-30нм, а на краю ~100-300Нм. После лазерно- плазменной обработки износостойкость инструмента возросла в 5-10 раз. [7]

Перспективным способом формирования нанокристаллических структур в поверхностных слоях металлических материалов является фрикционная обработка, проводимая в условиях трения скольжения,исключающая заметный нагрев поверхности трения. В зоне контакта при внешнем трении создаются сжимающие и сдвиговые напряжения под действием которых осуществляется пластическая деформация преимущественно по ротационному механизму – путем разворотов фрагментов вокруг оси, перпендикулярной направлению скольжения и параллельной поверхности трения. Это способствует возникновению нанокристаллических слоев с размером кристаллитов 5-100нм не только на поверхности мягких и пластичных материалов, но и высокоуглеродистых и быстрорежущих сталей. Нанокристаллические структуры трения (НКСТ) обладают сочетанием прочностных

(твердость, теплостойкость, высокое сопротивление сдвигу) и трибологических Х высокая износостойкость,низкий коэффициент трения) свойств. Способ упрочнения поверхности включает объемную или лазрную закалку и дополнительное деформирование в условиях трения скольжения с возможным последующим отпуском и основанный на создании в поверхностном слое нанокристаллические мартенситные структуры, претерпевшие деформационное динамическое старение. Метод применим к стальным изделиям практически любого размера. Под действием трениятвердость поверхности закаленной стали существенно возрастает у:

стали 35 от 600 до 980 (твердость 800 HV на поверхности сохраняется при температуре отпуска 400°С; стали 50 от 780-1090 HV; стали У8 и У13 от 940 до 1180-1200 HV (у стали У8 твердость 1000 HV на поверхности сохраняется при температуре отпуска 350°С); Теплостойкость углеродистых сталей соответствует уровню высоколегированных полутеплостойких сталей.

 

  20.2 Технологии обработки поверхности сплавов на основе алюминия

 и титана.

 20.2.1.Поверхностная закалка  титановых и алюминиевых сплавов

Поверхностное упрочнение титановых сплавов может быть реализовано при использовании поверхностной закалки с индукционным нагревом и последующим старением. Сплавы Вт 3-1 и Вт23 закаливались на глубину 2,3 и 4 мм посредством индукционного нагрева до температур 950-1050°С, затем подвергались старению. Результаты механических испытаний образцов приведены в табл.20.16.

Т а б л и ц а 20.16.

Механические свойства сплав Вт3-1 после стандартной закалки и закалки с индукционного нагрева.

Режимы термической обработки	Механические свойства
	HRC	σв МПа	δ%	Ψ%	Испытания на контактную усталость δк= 3000МПа (количество циклов, предшествующих разрушению)
Закалка от 950-1050°С	44	1400-1500	8-15	30-50	-
Закалка с индукционного нагрева От 1050°С	44-46	1500	5-6	18-20	-
Закалка, старение при температуре 520°С, 30 мин.	50	1550-1600	5	18	На порядок больше по сравнению со стандартной термической обработкой

 

Индукционный нагрев при проведении закалки титановых сплавов, обеспечивая измельчение зерна, повышает прочность и сопротивление контактной усталости без снижения пластичности.

Лазерное термоупрочнение алюминиевого сплава типа АЛ9 (доэвтектический силумин). Для изделий, работающих в условиях аналогичных днищам головок дизелей (в условиях изнашивания, эрозии, коррозии, термоциклических нагрузок), необходимо упрочнение. По сравнению с альтернативными методами обработки (химико- термическими, индукционными, плазменно- дуговым) лазерная обработка обеспечивает возможность достижения высоких скоростей нагрева и охлаждения, в результате чего в обработанной поверхности формируются структуры, обеспечивающие высокие свойства материалов.

Сплав АЛ9 содержит 0,2-0,5% Mg, 6-8%Si, остальное Al. Структура сплава состоит из кристаллов α – твердого раствора и эвтектики α+ Si. Грубые выделения интерметаллических фаз и крупных кристаллов эвтектического кремния являются причинами разрушения деталей. Долговечность изделий может быть увеличена при измельчении интерметаллических фаз и эвтектического кремния, а так же при изменении их формы из иглообразной на компактную. Мощность излучения при лазерной обработке составляла 1,6-1,8кВт, ширина дорожки сканирования 6-7мм, что обеспечивает глубину оплавленной зоны 0,8-1,0 мм. Микротвердость зоны оплавления составляет HV 85-110, при исходной твердости основы HV 65-80., что определяется изменением структуры: в исходном состоянии: крупные кристаллы α – твердого раствора и эвтектики α+ Si. В зоне обработки получена структура: мелкодисперсная α –фаза и эвтектика с размером зерна 8-10мкм.Зона обработки не имеет пор и трещин так как сплав АЛ9 имеет узкий интервал кристаллизации.