Технические науки / Отраслевое машиностроение

Докт. техн. наук, проф. Кожина Т.Д.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева»

Создания функциональных наноструктур поверхности и покрытий инструментальных материалов

Наиболее эффективным путем повышения износостойкости режущего инструмента является использование композиционных инструментальных материалов с функциональными покрытиями. Работа режущего инструмента происходит в условиях, характеризующихся высоким уровнем термодинамических воздействий, а также в условиях интенсивного абразивного, диффузионного и адгезионного изнашивания. Поэтому нанесение на его поверхность многослойных покрытий с нанометрической структурой существенно повышает срок службы инструмента и производительность обработки.

Наибольший потенциал для повышения эксплуатационных свойств инструмента заключается в правильном выборе и расчете свойств химического состава и структуры покрытия для конкретных условий работы, а так же совершенствовании технологии формирования наноструктурированных износостойких покрытий. Данный тип покрытий формируется таким образом, чтобы внутри многомикронной пленки находилась кристаллическая структура с характерным размером кристаллов в наноразмерной области. Для того чтобы сформировать такой материал необходимо ограничить рост кристаллов с помощью, например, низкой температуры процесса осаждения или присутствием в материале веществ, ограничивающих их рост кристаллов (кремния, меди и т. д.).

Ультрадисперсные материалы с увеличенной площадью межзеренных границ имеют повышенное значение вязкости и устойчивость к зарождению и развитию «хрупких» трещин способны более эффективно сопротивляться разрушению в условиях сложнонапряженного внешнего воздействия достаточно длительное время. В этой связи, создание нового поколения покрытий, имеющих ультрадисперсную (наноразмерную) структура и многослойную архитектуру с увеличенной площадью межзеренных и межслойных границ позволит существенно увеличить долговечность покрытия (время существования до разрушения «промежуточной среды» в парах трения), что позволяет прогнозировать существенное повышение времени наработки на отказ изделия с покрытием.

Увеличение площади межзеренных и межслойных границ возможно осуществить путем формирования нанокристаллической зерновой структуры и супермногослойной архитектуры с нанометрической толщиной отдельных слоев. Это обусловлено достаточно выраженной связью между свойствами материала и характером его макро – и микро разрушения (пластическое, хрупкое, абразивное, адгезионно-усталостное, химико-окислительное, диффузионное, и т.д.). Причем интенсивность разрушения (изнашивания) сильно зависит от соответствующего соотношения между вязкостью и твердостью материала. Межзеренные и межcлойные границы являются зоной интенсивной диссипации энергии и отклонения трещин от направления движения, частичного или полного торможения, что ведет к упрочнению материала, поэтому создание многослойной архитектуры покрытия несомненно приведет к повышению износостойкости изделия, особенно в условиях действия циклических термомеханических напряжений. Кроме того, межзеренные границы вносят вклад в формирование размеров зерен и текстуры материала, могут эффективно упрочнять покрытие.

Проведенные исследования по идентефикации структуры и состава износостойких покрытий позволил создать эффективную технологию формирования покрытия однородной толщины без сколов и дефектов методом дуального магнетронного распыления с высокой ионизацией плазмы.. Технология позволяет практически полностью устранить недостатки стандартных вакуумно-дуговых процессов, связанных с формированием микро-капельной составляющей и микродуг. Синтез наноструктурированных покрытий реализуется поэтапно при использовании гаммы технологических средств на базе вакуумной камеры UniCoat 400: бомбардировки осаждаемого конденсата метало-газовыми ионами; смешивания частиц осаждаемого конденсата воздействием ассистирующего потока высокоэнергетических газо-металлических ионов; понижения температуры синтеза покрытия и соответствующего сдерживания роста его зерен за счет увеличения степени ионизации металл-газовых ионов конденсируемого потока; изменения времени при планетарном перемещении рабочих поверхностей изделия относительно осаждаемого потока металл-газовых ионов.

Технология является окончательной операцией и применяется для готового к работе инструмента. После переточки инструмента его режущие свойства в определенной степени сохраняются, покрытие полностью восстанавливается при повторном проведении процесса его формирования. Снижаются затраты на приобретение нового режущего инструмента за счет повышения его стойкости, увеличения ресурса. Появилась возможность работать на интенсивных режимах обработки, повышая тем самым производительность станочного парка. Решается проблема СОЖ за счет применения режимов сухого резания. Повышается качество обрабатываемой поверхности. Технология наиболее эффективна для труднообрабатываемых материалов.

Экспериментальные исследования, проведенные на базе малого инновационного предприятия ООО «Пико» по использованию режущего инструмента с покрытием, изготовленного по разработанной технологии показали, что качество обработанной поверхности и геометрические параметры деталей не имеют отклонений от требования чертежа. При этом производительность обработки возросла на 15-20% по сравнению с ранее используемым режущим инструментом с напайными пластинами.

Литература

Кожина Т.Д., Сергеев А.Е. Разработка технологии нанесения сверхтвердых нанокомпозитных покрытий на основе соединений нитридов металлов методом магнетронного распыления [текст] / Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2012. Т. 16. № 4. С. 3-7.