Состав, структура и свойства нитридных вакуумно-дуговых покрытий для режущего инструмента, полученных из СВС-прессованных катодов в системах Ti-B-Al, Si и Ti-B-C-Al, Si

• Автор: Алтухов, Сергей Игоревич
• Шифр специальности: 05.16.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 184 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Вакуумные ионно-плазменные методы напыления покрытий

1.2. Методы получения многоэлементных катодов на основе титана

1.3 Получение, состав и свойства вакуумных ионно-плазменных покрытий на основе систем ТІ-В-1М и Ті-В-С-И

1.4 Краткая характеристика процессов СВС и

метода СВС-прессования

1.5 СВС-материалы, получаемые в системах Ті-В-(А1, Бі)

и ТІ-В-С-(А1, Бі)

2 Материалы, оборудование и методики исследования
2.1 Исходные порошки и шихтовые заготовки
2.2. Технологические основы процесса СВС-прессования
2.3 Технологическое оборудование и образцы
2.4 Методики исследования состава, структуры и свойств
3 Экспериментальное исследование процесса СВС-прессования
катодов для установки «Юнион»
3.1 Технологическая схема и параметры СВС-прессования катодов электродуговых испарителей
3.2 Экспериментальное исследование процесса СВС-прессования катодов системы ТІ-В-А
3.3 Экспериментальное исследование процесса СВС-прессования катодов системы Ті-В-Бі
3.4 Экспериментальное исследование процесса СВС-прессования катодов системы Ті-В-АІ-Бі
3.5 Экспериментальное исследование процесса СВС-прессования катодов системы Ті-В-С
3.6 Выводы по главе

4 Состав, структура и свойства вакуумно-дуговых покрытий, полученных из СВС-прессованных катодов
4.1 Технологические параметры процесса нанесения вакуумно-дуговых покрытий
4.2 Состав, структура, механические и триботехнические
свойства покрытий системы Ті-В-А1-ІЧ
4.3 Состав, структура, механические и т триботехнические
свойства покрытий системы Ті-В-8іЛЧ
4.4 Состав, структура, механические и триботехнические
свойства покрытий системы Ті-В-С-А1-М
4.5 Состав, структура, механические и триботехнические свойства покрытий системы Ті-В-8і-И, полученных
на установке «ННВ-6.6-И1»
4.6 Выводы по главе
5 Исследование эксплуатационных свойств режущего инструмента
с вакуумно-дуговыми покрытиями на основе системы Ті-В-Бі-К
5.1 Исследование износостойкости токарных твердосплавных
пластин с вакуумно-дуговым покрытием системы Ті-В-Бі-К
5.2. Исследование стойкости твердосплавных концевых фрез
с вакуумно-дуговым покрытием системы Ті-В-8І-И
5.3 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
Акты использования результатов диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы.
Производительность, качество и стоимость изготовления машиностроительных изделий в многом зависят от свойств применяемого режущего инструмента. При обработке деталей из современных жаропрочных сталей и сплавов, а также композиционных материалов расходы на режущий инструмент могут составлять до 45% общих затрат на механическую обработку деталей. Независимо от условий резания наиболее нагруженным является поверхностный слой, и в настоящее время для повышения ресурса инструмента осуществляют его поверхностное упрочнение, в том числе нанесение износостойких вакуумных ионно-плазменных покрытий. Наибольшее промышленное применение получили вакуумно-дуговые покрытия на основе нитрида титана TiN. Однако из-за окисления на воздухе и старения диапазон рабочих температур для покрытий из одноэлементного нитрида TiN не превышает 550 °С. Поэтому в нитрид титана вводят легирующие элементы и получают теплостойкие многоэлементные и/или композиционные покрытия. Наиболее эффективно введение в нитрид титана алюминия и кремния. При этом теплостойкость покрытий повышается до 800...900 °С. Кроме того, происходит измельчение кристаллитов и формирование наноструктурированных покрытий повышенной твердости и износостойкости.
В последнее время интенсивно разрабатываются упрочняющие папокомпозитные покрытия. Они состоят как минимум из двух фаз с нанокри-сталлической и/или аморфной структурой и демонстрируют уникальные физико-механические и функциональные свойства. В этом направлении особый интерес представляют вакуумные иопно-плазменные покрытия на основе химической системы Ti-B-N. В системе Ti-B-N не образуются тройные соединения и в равновесии находятся три фазы: диборид титана TiB2, нитрид титана TiN и нитрид бора BN. В результате соединения системы Ti-B-N образуют трехфазный композит, а в варианте вакуумного ионно-плазменного покрытия - нанокомпозит. Примерно такими же свойствами, как система Ti-

висимости от соотношения скоростей потоков азота и аргона изменяется экстремально. При малой концентрации азота (Д’м/Т'аг = 0...0,2) твердость и модуль упругости покрытий составляют Н— 20 ГПа и Е = 210 ГПа. При ГУГЛГ = 0,4...0,6 твердость и модуль упругости заметно уменьшаются до значений II = 12.. 13 ГПа и Е = 140... 160 ГПа. В диапазоне F^FAr = 0,8... 1 уровень механических свойств снова возрастает до Н = 24 ГПа и Е = 250...260 ГПа. Хотя содержание ианокристаллической фазы пс-(Л, А1)Л по массе не превышает 30%, именно эта фаза определяет механическое поведение композита.
В работе [75] пленки в системе Л-В-А1-Л получали при магиетронном распылении многоэлементной мишени состава Т1А1В с 12% (ат.) В и равными концентрациями Т1 и А1. Реакционный газ представлял собой смесь аргона и 27,5% (об.) азота. Температура подложки Т5 в процессе осаждения варьировалась от 180 °С до 250 °С. Покрытия состоят из следующих нанокри-сталлических фаз: интерметаллидов ЛА13, ЛАГ и нитрида титана ПК Размер зерен покрытия составляет 8... 12 нм. Отсутствие боридных фаз объясняется низким соотношением В/А1 = 0,3 в мишени. При температуре подложки Т5 = 180 и 220 °С нанотвердость покрытий невысокая и составляет Н — 10 ГПа. Увеличение температуры подложки до Т, = 250 °С приводит к увеличению твердости до Н = 23 ГПа.
Для получения магнетронных покрытий ЛА1ВЛ в работе [76] использовали горячепрессованную мишень состава (масс. %) 11-15% А1-15% В1Ч. При нанесении покрытий варьировали расход азота и температуру подложки. Рентгеноструктурный анализ выявил только одну напокристаллическую фазу ИХ, в которой растворен алюминий. Размер зерен составил 3,5...5,7 нм. Фазы ЛВ2 и ВЛ находятся в аморфном состоянии.
Таким образом, результаты рассмотренных исследований показывают, что покрытия в системе П-А1-В-Л представляют нанокомпозитный материал, в котором нанокристаллическая «с-(П, А1)Л фаза встроена в матрицу, состоящую из аморфных фаз а-ЛВ2 и а-ВЛ. Следует отметить, что все покрытия в