Название: Износостойкие покрытия режущего инструмента, работающего в условиях непрерывного резания - учебное пособие(Табаков, В. П.)

Жанр: Машиностроительный

Просмотров: 1351


4.2.4. влияние конструкции покрытия на его структурные параметры и физико-механические свойства

 

В качестве структурных параметров были выбраны период кристаллической решетки а, вектор Бюргерса b, размер зародышевой микротрещины l0, полуширина рентгеновской линии β111 и остаточные напряжения  σост,  физико-механических  свойств  –  микротвердость  системы

«покрытие-инструментальная  основа»  H,  измеренная  под  нагрузкой  0,98  Н

m

 
(100 г), микротвердость покрытия H0

, экстраполированная на нулевую глубину

проникновения индентора, коэффициент отслоения K0, твердость по Мейеру

HM, модуль Юнга E, предел текучести σт и вязкость разрушения КICП.

Рентгеноструктурными исследованиями установлено, что получаемые многоэлементные покрытия являются однофазными с ГЦК-решеткой, аналогичной решетке нитрида титана. Легирование базовых двухэлементных покрытий на основе нитрида титана приводит к изменению их структурных параметров и физико-механических свойств. При этом степень влияния одного

 

и того же легирующего элемента Ме2 для разных систем многоэлементных покрытий на основе нитридов примерно одинакова [121, 124, 125]. Введение в состав покрытия легирующего элемента Ме2 оказывает влияние на изменение периода кристаллической решетки а и величину вектора Бюргерса b материала покрытий  и,  следовательно,  на  длину  зародышевой  микротрещины  l0   (табл.

4.16),  что  объясняется  химическим  взаимодействием  атомов  легирующих

элементов как с атомами титана и азота, так и между собой. Для покрытий TiAlZrN, TiZrAlN и TiSiZrN имеет место повышение величин а, b и l0, в то время как для остальных покрытий они уменьшаются. Наблюдаемое изменение указанных параметров не превышают 1\%, однако их влияние на  величину межатомных сил взаимодействия проявляется в значительной мере и вызывает существенное изменение физико-механических свойств покрытий.

Легирование базовых покрытий увеличивает полуширину рентгеновской линии β111 (табл. 4.16), что свидетельствует о повышении степени микродеформаций  кристаллической  решетки  и  изменении  механических свойств покрытий. Максимальное повышение величины β111 при легировании базовых покрытий составило (8 – 30)\%. При этом наибольшее повышение данного параметра имеет место при легировании базовых покрытий кремнием, цирконием и алюминием, меньшее – молибденом, хромом и железом.

Легирование базовых двухэлементных покрытий вызывает существенное изменение остаточных сжимающих напряжений σост (табл. 4.16). Введение железа  в  покрытия  TiAlN и  TiZrN, нанесенных  на  твердосплавную  основу, ведет к снижению значений σост на 11\%, в покрытие TiSiN – на 15\%. Легирование покрытий другими элементами увеличивает σост на (30 – 88)\% в зависимости от его состава. При этом бóльшее влияние на рост остаточных сжимающих напряжений в покрытии TiAlN оказывает введение в его состав кремния, циркония и хрома, меньшее – молибдена. Легирование покрытий TiZrN кремнием и молибденом увеличивает величину σост  на (27 – 37)\%, использование в качестве легирующих элементов алюминия и хрома оказывает меньшее  влияние.  Введение  в  состав  покрытия  TiSiN алюминия,  циркония, хром и молибдена вызывает рост остаточных сжимающих напряжений σост  в

1,32     –     1,54     раза.     Для     многоэлементных     покрытий     на     основе

модифицированного нитрида титана, нанесенных на быстрорежущую основу, наблюдается аналогичное изменение величины остаточных сжимающих напряжений σост. Введение железа в состав покрытий TiAlN, TiZrN и TiSiN снижает величину σост соответственно на 23\%, 18\% и 7\%. Легирование хромом, молибденом, цирконием и кремнием покрытия TiAlN ведет к росту остаточных сжимающих напряжений на (27 – 40)\%. При этом наибольшую величину  σост вызывает  введение в состав данного покрытия хрома, а наименьшее – кремния.

 

 

 

Co,li,ep)l(aHHe

 

f3111,  HJ.L,    CYocT,

JierHpyiO-

 

rpa,li,

Ko rna MITa

noKpbi-           lll,ero    a,         b,         lo,        Hort'

N         THe     3JieMeHTa      HM      HM      HM      ln          ln          rna       ln          ln

 

Me2,

00        ln          00        ln

00        ln          00        ln

 

\%Mac.

                         

 

1          2          3          4          5          6          7          8          9          10        11        12        13        14        15

1          TiAlN   -           0,4230             0,2991  0,5982            0,57     0,53     37,78   36,53   38,39   -903     -2443             0,907   0,295

2          0,43     0,4223   0,2986           0,5972 0,64     0,60     41,15   39,26   42,74   -824     -1991   0,843   0,264   N

t---       0

3          TiAlFeN           0,85     0,4219   0,2983  0,5967          0,68     0,63     42,21   41,21   43,70   -804     -1913             0,808   0,241

1-

4          1,22     0,4214 0,2980 0,5959             0,66     0,62     42,21   41,13   43,70   -804     -1933   0,795   0,232

5          2,08     0,4227   0,2989  0,5978          0,62     0,60     41,46   40,67   42,55   -1089   -2874   1,228   0,456

1- TiAlMoN

6          4,12     0,4226 0,2988  0,4226            0,64     0,63     42,56   41,92   43,96   -1177   -3100   1,438   0,542

7          1 35     0,4226 0,2988  0,5976            0,60     0,59     40,75   39,06   41,25   -1265   -2963   1,002   0,338

t---       '

8          TiAlCrN           5,96     0,4214 0,2980             0,5959             0,68     0,64     44,89   44,01   46,48   -1628   -3394    1,215   0,397

t---

9          11,12   0,4221   0,2985           0,5969 0,65     0,60     44,49   43,34   45,62   -1472   -3384   1,303   0,429

10        4,61     0,4237   0,2996           0,5992 0,63     0,58     41,73   39,93   42,67   -1324   -2659   1,076   0,340

t---

11   TiAlZrN    12,17   0,4245   0,3002           0,6003 0,73     0,65     45,31   43,26   46,39   -1648   -3061   1,262            0,380

t---

12        23,39   0,4246 0,3002 0,6005 0,71     0,64     44,48   42,79   45,72   -1570   -2884   1,363   0,407

 

 

1          2          3          4          5          6          7          8          9          10        11        12        13        14        15

13        0,25     0,4229             0,2990  0,5981            0,68     0,60     42,53   40,64   43,17   -1295   -2737   1,060             0,340

-

14   TiAlSiN     0,49     0,4228  0,2990            0,5979 0,73     0,64     45,31   43,47   46,41   -1648   -2933   1,224             0,377

-

15        0,83     0,4224 0,2987  0,5974            0,74     0,64     45,67   43,81   46,88   -1609   -2894   1,276   0,385

 

16        TiSiN   -           0,4243 0,3000  0,6001            0,56     0,51     33,24   32,87   34,67   -1020   -2541   1,493             0,531

17        0,49     0,4240 0,2998  0,5996            0,59     0,55     36,26   35,41   37,73   -932     -2443   1,287   0,457

- TiSiFeN

18        1,36     0,4238 02997 0,5993 0,60     0,56     37,47   36,02   38,51   -863     -2374   1,144   0,426

19        2,37     0,4244 0,3001  0,6002            0,59     0,55     35,60   34,97   37,04   -1236   -2747   1,811   0,631

- TiSiMoN

20        4,75     0,4245 0,3002  0,6003            0,61     0,58     37,16   35,88   38,58   -1354   -2835   1,967   0,690

21        6,12     0,4241 0,2999  0,5998            0,62     0,58     38,73   37,56   39,79   -1383   -2786   1,811   0,644

- TiSiCrN         N

22        11,37   0,4241 0,2999  0,5998            0,63     0,59     39,39   38,12   40,46   -1511   -2865   1,924   0,667   Vl

23        6,45     0,4228 0,2990  0,5979            0,67     0,62     40,44   39,02   42,84   -1530   -2923   1,212   0,406

- TiSiAlN

24        9,16     0,4225 0,2988  0,5975            0,68     0,63     41,11   39,41   43,15   -1560   -2963   1,176   0,392

25        7,81     0,4252 0,3007  0,6013            0,63     0,59     38,42   37,77   40,04   -1334   -2963   1,608   0,584

- TiSiZrN

26        24,74   0,4262 0,3014  0,6027            0,64     0,60     39,72   38,83   41,39   -1373   -2786   1,726   0,615

 

27        TiZrN   -           0,4293   0,3036   0,6071         0,55     0,51     36,57   35,42   38,85   -1256   -2619   1,316             0,478

28        0,49     0,4290 0,3033   0,6067           0,61     0,56     38,75   37,98   40,76   -1207   -2315   1,114   0,407

-

29        TiZrFeN           0,94     0,4290 0,3033  0,6067            0,67     0,59     40,07   39,10   42,14   -1148   -2197             1,008   0,371

-

30        1,35     0,4289  0,3033  0,6066           0,65     0,58     40,09   39,01   42,32   -1138   -2148   0,977   0,370

31        2,40     0,4289  0,3033  0,6066           0,59     0,56     38,73   38,82   41,26   -1491   -2786   1,542   0,632

- TiZrMoN

32        4,73     0,4287   0,3031   0,6063         0,61     0,59     39,72   39,97   42,76   -1599   -2904   1,613   0,712

 

 

Tipo,l1,omKemie Ta6n. 4.16

1          2          3          4          5          6          7          8          9          10        11        12        13        14        15

33        1,44     0,4289  0,3033  0,6066           0,59     0,55     38,11   37,20   40,36   -1324   -2659   1,412   0,527

-

34        TiZrCrN           6,09     0,4282             0,3028 0,6056 0,63     0,62     41,83   41,04   44,66   -1413   -2923             1,550   0,628

-

35        11,28   0,4279             0,3026             0,6051             0,63     0,62     42,19   41,74   45,25   -1422   -2865             1,575   0,657

36        6,36     0,4302  0,3042  0,6084           0,66     0,63     42,56   42,97   45,72   -1393   -2953   0,916   0,361

- TiZrAlN

37        9,25     0,4305             0,3044             0,6088             0,67     0,64     43,31   43,21   46,39   -1413   -3002             0,882   0,346

38        0,25     0,4291             0,3034             0,6068             0,61     0,57     39,06   38,41   41,29   -1589   -2894             1,421   0,524

-

39        TiZrSiN            0,49     0,4291 0,3034             0,6068             0,65     0,61     41,11   40,12   43,60   -1648   -3031    1,489   0,569

-

40        0,84     0,4289             0,3033  0,6066            0,66     0,62     41,83   40,62   44,38   -1746   -3080   1,549            0,583   0

 

Для покрытий TiSiN бóльшее увеличение напряжений σост происходит при легировании цирконием и алюминием (на (17 – 21)\%), меньшее – хромом и молибденом (на (12 – 13)\%). Введение в состав покрытия TiZrN молибдена, хрома, алюминия и кремния увеличивает величину σост на (11 – 18)\%.

Изменение периода кристаллической решетки а материала покрытий и

повышение полуширины рентгеновской линии β111 свидетельствуют об увеличении степени микродеформаций кристаллической решетки, что вызывает рост микротвердости покрытий. В табл. 4.16 представлены результаты измерений  микротвердости  Hμ   покрытий,  нанесенных  на  инструментальную

основу   из   твердого   сплава   МК8   и   быстрорежущей   стали   Р6М5К5,   и

микротвердости        H0  ,    полученной    путем  экстраполяции           величины       H         на

μ          μ

нулевую глубину проникновения индентора, необходимой в дальнейшем для определения физико-механических свойств покрытий (твердости по Мейеру HM,  контактного  давления  q,  предела  текучести  σт   и  вязкости  разрушения KICП). На рис. 4.47 в качестве примера показано влияние инструментальной основы на микротвердость покрытий TiZrCrN. Видно, что величина микротвердости  Hμ   зависит  от  инструментальной  основы,  что  объясняется

малой толщиной покрытия, в то время как величина H0μ от нее не зависит. В то

μ

 
же время зависимости величин Hμ  и H0

от содержания легирующего элемента

Ме2   имеют  одинаковый  характер,  на  который  инструментальная  основа  не оказывает влияния.         Как            видно  из        представленных        в          табл.    4.16     данных,

μ

 
максимальное  увеличение  микротвердости  H0

составило  (14  –  22)\%  для

покрытий TiAlMe2N, (10 – 20)\% – для TiZrMe2N и (11 – 25)\% – для TiSiMe2N.

μ

 
При     этом    бóльшие          значения         величины       H0

характерны     для      покрытий,

легированных            цирконием,    алюминием    и          кремнием,      меньшие         –          хромом,

железом и молибденом (рис. 4.48,а).

Легирование базовых двухэлементных нитридных покрытий изменяет их прочность сцепления с инструментальной основой (табл. 4.16). Введение в состав  покрытия  TiAlN,  нанесенных  на  твердосплавную  основу,     железа снижает коэффициент отслоения покрытия K0 на 12\%, что свидетельствует о повышении прочности сцепления. Легирование данных покрытий хромом, молибденом,  цирконием  и  кремнием  наоборот  уменьшает  прочность сцепления, повышая коэффициент отслоения K0 на (39 – 59)\% в зависимости от состава покрытия. Для покрытий TiZrN и TiSiN введение в их состав железа и алюминия  повышает  прочность  сцепления  (рис.  4.48,б):  максимальное снижение коэффициента отслоения составило (26 – 33)\% и (21 – 23)\% соответственно. Легирование данных покрытий другими элементами снижает прочность сцепления.

 

Для покрытий, нанесенных на быстрорежущую сталь, наблюдается аналогичное влияние легирующих элементов на прочность их сцепления с инструментальной основой. Так введение в состав покрытия TiAlN железа снижает величину коэффициента отслоения на 22\%, а кремния, циркония и хрома увеличивает его на (31 – 43)\%. Наибольшее снижение прочности сцепления покрытия с инструментальной основой вызывает легирование покрытия молибденом, повышение коэффициента отслоения составило  84\%. Для покрытий TiZrN и TiSiN наибольшее увеличение коэффициента отслоения наблюдается при использовании в качестве легирующего элемента молибдена и хрома – на (38 – 49)\% и (26 – 30)\% соответственно. Легирование покрытия TiZrN кремнием в меньшей степени снижает прочность сцепления покрытия с инструментальной  основой,  также  как  и  введение  в  состав  покрытия  TiSiN

циркония.

 

Рис. 4.47. Влияние инструментальной основы на микротвердость Hμ

покрытий состава TiZrCrN толщиной 5 мкм при нагрузке на индентор P=0,98Н (100 г): 1 – Р6М5К5; 2 – МК8; 3 – H0μ

 

Легирование базовых двухэлементных покрытий увеличивает модуль Юнга   Е   (табл.   4.17   и   рис.   4.48,в).   Наибольшее   повышение   вызывает легирование алюминием, цирконием и кремнием. Так введение в состав покрытий TiSiN алюминия и циркония повышает модуль Юнга на (19 – 20)\%. Легирование покрытий TiZrN алюминием и кремнием увеличивает его на 12\%, покрытий TiAlN кремнием и цирконием – соответственно на 14\% и 20\%. В меньшей степени повышает величину модуля Юнга покрытий  TiAlN, TiZrN и

 

 

47

rna

 

45

 

44

 

1          43

Ho       42

).!

 

41

 

40

 

39

 

38

 

1,7

 

1,6

 

1,5

 

1,4

 

1          1,3

Ko       1,2

 

1,1

 

./ ..-

 

......

 

L2

4

 
.--.:;:::::--:::::--- --         

 

.....      

 

1,0

 

0,9

'           r--        1

r-.2

6)

0,8       Fe

0          0,2       0,4       0,6       0,8       1,0       \%

1,4

+------+------r----- ---- ----Mo

0          1          2          3          4          5

 

 
+-----r---         ---+-----r---- --Cr

0          2          4          6          8          10        12

+I---j +--j -r-j  j---+j

---j

r--j

--j  j Si

0          0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

0,9

+------+------r----- ---- ----   AJ

0          2          4          6          8          10

Me2, \% Mac.             

 

Puc. 4.48.Bnmmue co epJKaHH5l nerupyiOm;ero :meMeHTa Me2  Ha MHKpoTBep ocTh

H0

 
f.t (a) H K03cpqmu:ueHT oTcnoeHH5l K0 (6) rroKphiTHii TiZrMe2N:

1 -Fe; 2- Mo; 3 - Cr; 4- Si; 5- Al. HHcTpyMeHTaJibHa5l ocHoBa- MK8

 

TiSiN  введение  в  их  состав  хрома,  железа  и  молибдена:  повышение  его

составило (3 – 11)\% в зависимости от состава покрытия.

 

Рис. 4.49. Влияние содержания легирующего элемента Ме2 на модуль Юнга Е

покрытий TiZrMe2N: 1 – Fe; 2 – Mo; 3 – Cr; 4 – Si; 5 – Al

 

μ

 
Увеличение микротвердости H0

многоэлементных нитридных покрытий

ведет к росту твердости по Мейеру HM и контактного давления q, что наряду с изменением модуля Юнга E вызывает повышение предела текучести т (табл.

4.17). Так при легировании покрытия TiAlN  хромом, цирконием и кремнием

повышение величины т составило (18 – 19)\%, а железом и молибденом – (12 –

13)\%. Для покрытий TiZrN, легированных хромом, алюминием и кремнием, величина т  увеличилась на (13 – 17)\%. Легирование покрытия TiSiN цирконием, алюминием и хромом повысило предел текучести на (16 – 21)\%. В меньшей   степени изменяет величину т легирование покрытий железом и молибденом.