112 / 457
Механики XXI веку. №15 2016 г.
112
Введение.
Применение износостойких покрытий позволяет существенно повысить эффек-
тивность режущих инструментов на операциях металлообработки [1 – 10]. Еще большая эффектив-
ность режущих инструментов может быть достигнута при использовании многослойных покрытий,
каждый слой которых имеет собственное служебное назначение, которое определяется его механиче-
скими свойствами, в свою очередь, зависящими от состава данных слоев. Важную роль в многослой-
ном покрытии выполняет верхний слой, обеспечивающий необходимые функциональные параметры
процесса резания, влияющие на процесс разрушения покрытия на контактных площадках инструмен-
та. Таким образом, формирование многослойных покрытий должно проводиться с учетом служебно-
го назначения каждого слоя покрытия, с установлением взаимосвязи их состава с механическими
свойствами и функциональными параметрами процесса резания.
Цель работы – разработка многослойных покрытий для повышения работоспособности ре-
жущего инструмента.
Методика исследований.
Исследовали параметры структуры и механические свойства по-
крытий TiN, TiZrN, TiZrAlN, TiZrCrN и TiZrSiN. Покрытия наносили на твердосплавные пластины
МК8 на установке «Булат-6». Период кристаллической решетки a, полуширину рентгеновской линии
β111 и остаточные сжимающие напряжения σ0 определяли на дифрактометре «ДРОН-3М». Относи-
тельную микродеформацию кристаллической решетки Δa/a и размеры блоков областей когерентного
рассеивания (ОКР) D рассчитывали по методике работы [11]. Микротвердость Hμ, модуль Юнга Е,
вязкость разрушения КICП определяли по методике работы [12], предел текучести σт и циклическую
трещиностойкость tц – по методике работы [1]. Адгезионную прочность покрытий оценивали по ве-
личине коэффициента отслоения K0 [1], снижение которого свидетельствовало о большей адгезион-
ной прочности. Период стойкости твердосплавных пластин МК8 с покрытиями определяли при точе-
нии заготовок из сталей 30ХГСА.
Результаты исследований и их обсуждение. Для выбора слоев многослойных покрытий ис-
следовали влияние состава покрытий на механические свойства и функциональные параметры про-
цесса резания. В табл. 1 и 2 представлены данные по взаимосвязи состава покрытий с параметрами
структуры и механическими свойствами.
Таблица 1
Влияние состава покрытия на параметры структуры и механические свойства
Покрытие
а, нм
β111,
град
Δа/а
·10-3
D, нм
σ0,
МПа
Нμ,
ГПа
К0
Е, ГПа
КICП,
Па·м½
tц, мин
TiN
0,4235
0,4
4,68
26,01
-755
24,5
1,1
307
12,3
7,6
TiZrN
0,4293
0,55
6,92
17,89
-1256
36,6
1,3
379
14,44
13,8
TiZrCrN
0,4279
0,63
7,95
15,41
-1422
41,8
1,5
405
14,35
15,71
TiZrAlN
0,4225
0,67
8,48
14,43
-1413
43,3
0,9
428
16,17
28,51
TiZrSiN
0,4262
0,66
8,49
14,64
-1746
41,8
1,5
423
15,8
31,55
Таблица 2
Влияние состава покрытия на функциональные параметры процесса резания
Покрытие
Cγ, мм
KL
Pz, Н
Тпср,0С
TiN
0,45
1,8
197
890
TiZrN
0,51
1,96
216
911
TiZrCrN
0,56
2,14
237
947
TiZrAlN
0,56
2,05
226
925
TiZrSiN
0,55
2,02
223
915
Примечание: токарная обработка заготовок из стали 30ХГСА; V=180 м/мин, S=0,15 мм/об, t=0,5 мм
Как видно, переход от одно- к двух- и трехэлементным покрытиям сопровождается повыше-
нием сжимающих остаточных напряжений, механических свойств и снижением прочности адгезии
покрытия с инструментальной основой. Остаточные сжимающие напряжения для трехэлементных
покрытий выше, чем для TiN, соответственно в 1,87…2,3 раза в зависимости от состава покрытий. По
сравнению с покрытием TiN для них характерна большая ширина рентгеновской линии β111 (в
1,67…1,87 раза), микродеформация кристаллической решетки Δа/а·(в 1,7…1,8 раза) и меньший раз-
мер блоков ОКР (в 1,68…1,77 раза). Микротвердость Нμ, модуль Юнга Е, вязкость разрушения КICП
и циклическая трещиностойкость tц трехэлементных покрытий выше аналогичных показателей по-