Ю.Г.Кабалдин, С.В.Серый, О.В.Кретинин,А.В.Уткин,Д.В.Шатагин

МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ НИТРИДНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКИХ РАСЧЁТОВ

(Нижегородский государственный технический университет им. Р.А.Алексеева)

Разработана методология целенаправленного формирования наноструктурных нитридных покрытий для режущего инструмента. Заданный состав покрытия моделируется путём построения многокомпонентных фазовых диаграмм с использованием алгоритмов молекулярной динамики, выявления устойчивых нитридных соединений, при заданной температуре осаждения покрытия, с оценкой прочности в них межатомной связи путём квантово-механических расчётов.

Нанесение покрытий обеспечивает прочность режущей части инструмента, эффективный теплоотвод из зоны резания, низкую адгезию с обрабатываемым материалом, демпфирование и уменьшение вибрационных явлений, причём нитридные покрытия показывают большую эффективность, чем карбидные. В настоящее время ведущие производители режущего инструмента до 90-95 % инструмента из твердого сплава и до 60% из быстрорежущей стали выпускают с многослойными покрытиями. При производстве инструмента всё шире используют композиционные наноструктурированные покрытия. В частности, компания Sandvik Coromant, которая одна из первых в мире освоила серийный выпуск сменных режущих пластин с покрытием TiC (серия GC, метод нанесения CVD) и в настоящее время является одним из мировых лидеров производства пластин из твердых сплавов с покрытием, разработала композиционно-многослойное покрытие TiС-TiN/Al2O3-TiCN, в котором слой TiN/Al2O3 состоит из нескольких субслоёвнаноразмерной толщины с нанокристаллическими зернами. Эти пластины имеют стойкость до 2…2,5 раз выше стойкости пластин со стандартным многослойным покрытием. Ведущие разработчики покрытий для режущего инструмента, получаемых методами физического осаждения (Balzers, Cemicon, Metaplas, Leybold, Platit, Seco и др.), также разработали гамму наноструктурированных покрытий для нанесения на режущие инструменты.

Приведенные в качестве примеров исследования, показывают, что разработка покрытий проводятся только эмпирическим путем. Существует также программное обеспечение по расчету распределения напряжений и температур в покрытиях методами конечных элементов. Но эти методы при малых толщинах покрытий - работают недостоверно. Однако наибольшие преимущества при обработке резанием обеспечивают именно наноструктурированные покрытия. Считается, что ультрадисперсные материалы с увеличенной площадью межзеренных границ имеют более сбалансированное соотношение между «твердостью», оказывающей определяющее положительное влияние на износостойкость и прочностные характеристики материала, в том числе и в условиях действия циклических термомеханических напряжений. Таким образом, одним из перспективных направлений исследования материалов, наиболее приближенным к физической сути процесса структурообразования, является математическое моделирования наночастиц и их взаимодействий

Для многокомпонентных покрытий, состоящих из многих фаз и компонентов, построение фазовых диаграмм является единственным методом, позволяющим установить, сколько фаз и какие конкретно фазы образуют систему при данных значениях параметров состояния. Каждое реально существующее состояние системы на диаграмме состояния изображается так называемой фигуративной точкой; областям существования одной фазы отвечают участки пространства (на трехмерных диаграммах состояния) или плоскости (на двухмерных диаграммах состояния), условиям сосуществования фаз соответствуют поверхности или линии; изменение фазового состояния системы рассматривается как распределение фигуративных точек на диаграмме состояния. На рис.6 представлена фазовая диаграмма интерметаллидов в системе Ti-Al в 3D формате. Как отмечалось выше, существующие фазовые диаграммы наиболее изучены в высокотемпературной области. Метод молекулярной динамики позволил изучить её в широком диапазоне температур. Анализ относительного расположения объемных участков, поверхностей, линий и точек, которые образуют диаграмму состояния, позволяет однозначно и наглядно определять условия фазового равновесия, появления в системе новых фаз и химических соединений, образования и распада структур. Получено пространство состояний интерметаллидов семейства Ti-Al, широко применяемых в качестве упрочняющего покрытия при их формирования в камерах ионно-плазменных, магнетронных и т.д. установках, с участием реакционного газа (азота). Другим важным моментом при осаждении покрытий является моделирование контактных процессов на границе подложка-покрытие. Дело в том, что до настоящего времени не известна роль как связующей (кобальта), так и карбидной фазы, в частности карбида вольфрама WC, в прочности соединения покрытия с подложкой. Наилучшие результаты при расчетах (табл.3) достигнуты при поиске минимума энергии связи Со с Al,Co с Fe, а также Со с Тi. Здесь обеспечивается наибольшая сходимость расчетов межатомных взаимодействий. При расчете взаимодействий карбида вольфрама с алюминием и титаном при переборе возможных пространственных атомарных конфигураций сходимости не достигнуто. Таким образом, межатомное взаимодействие элементов покрытия на подложке происходит с атомами кобальтовой фазы. При этом взаимодействие атомов титана с кобальтовой фазой происходит с большей интенсивностью. Это объясняет низкую обрабатываемость титановых сплавов

При электронномикроскопических исследованиях тонких фольг на просвет установлено, что зёрна нитридов TiNсодержат дислокации, что вызывает их хрупкость (расстрескивание). В зёрнах двухкомпонентного нитрида (AlTi)N дислокации в зёрнах уже отсутствуют, они меньше и располагаются на границах зёрен. Если однослойное покрытие TiN имеет столбчатую структуру, то уже двухэлементное покрытие системы Ai-Ti-N, содержащее такое соединение как Ti3AlN, уже состоит из икосаэдральных зёрен. Таким образом, атомные, дислокационные и электронные характеристики тугоплавких соединений могут быть удобным критерием для поиска потенциально перспективных материалов с высокими температурами перехода в сверхпроводящее состояние, а следовательно, и для износостойких наноструктурных покрытий. В этой связи, как показывают исследования, покрытия должны быть многослойными. Верхние слои необходимо формировать многокомпонентными и они должны содержать такие элементы как Мо, Nb, Нf и т.д., что будет обеспечивать рост температуры сверхпроводимости, который также связан с наноструктурным состоянием зёрен.

. Таким образом, квантово-механические расчёты позволяют строить фазовые диаграммы в широком диапазоне температур с использованием алгоритмов молекулярной динамики и на их основе выбрать как состав наноструктурного покрытия, так и рассчитать устойчивость атомных структур, формирующих его зёрна по энергии межатомной связи, а также определить и технологию его осаждения.