Основные виды износостойких покрытий
Наименование | Цвет | Нанотвердость, ГПа | Толщина, мкм | Коэффициент трения | Макс. температура °С |
TiN | Золотой | 24 | 1-7 | 0,55 | 600 |
TiAIN односл. | Фиолет.-черный | 35 | 1-4 | 0,5 | 800 |
TiAIN многосл. | Фиолет.-черный | 28 | 1-4 | 0,6 | 700 |
TiCN-MP | Красно-медный | 32 | 1-4 | 0,2 | 400 |
TiCN | Серо-голубой | 37 | 1-4 | 0,2 | 400 |
MOVIC | Серо-зеленый | - | 0,5-1,5 | 0,15 | 400 |
STARVIC | Серо-зеленый | 32 | 1,5-5,5 | 0,15 | 400 |
CrN | Серебр.-метал. | 18 | 1-4 | 0,3 | 700 |
Ti2N | Серебристый | 25 | 1-3 | 0,45 | 600 |
TiAICN | Фиолет. -красный | 28 | 1-4 | 0,25 | 500 |
CROMVIC | Серый | 20 | 1,5-6 | 0,15 | 400 |
CBC (DLC) | Серый | 20 | 0,5-4 | 0,15 | 400 |
GRADVIC | Серый | 28 | 1,5-6 | 0,15 | 400 |
ZrN | Бело-золотой | 26 | 1-4 | 0,5 | 550 |
AITiN | Черный | 38 | 1-4 | 0,7 | 900 |
mAITiN | Черный | 38 | 1-2 | 0,3 | 900 |
nACo | Фиолет.-голубой | 45 | 1-4 | 0,45 | 1200 |
nACRo | Серебр.-метал. | 40 | 1-4 | 0,35 | 1100 |
nACVIc | Серый | 40 | 1-7 | 0,15 | 1200 |
Рекомендации по применению покрытий
Обработка резанием | Обработка давлением | ||||||||
Сверление | Точение | Развертывание Фрезерование |
Нарезание метчиком | Отрезка пилой | Протягивание | Литье под давлением | Пробивка Вырубка | Штамповка | |
Сталь | nACo AlTiN |
nACo AlTiN |
TiAlCN nACo |
STARVIC GRADVIC |
TiAlCN | TiCN-MP μAlTiN |
TiN CrN | STARVIC TiAlCN |
STARVIC TiAlCN |
Чугун | nACo AlTiN |
nACo AlTiN |
nACoAlTiN | TiAlCN TiCN-MP |
TiCN-MP | μAlTiN TiCN-MP |
|||
Алюминий (>12% Si) | nACo TiCN |
nACo TiCN |
nACo TiCN-MP |
GRADVIC TiCN-MP |
TiAlCN TiN |
μAlTiN TiCN-MP |
CrN | STARVIC TiCN |
STARVIC GRADVIC |
Алюминий (<12% Si) | STARVIC GRADVIC | STARVIC GRADVIC | GRADVIC STARVIC | CROMVIC TiCN-MP | TiCN-MP | STARVIC TiCN-MP | TiN CrN | STARVIC GRADVIC | STARVIC GRADVIC |
Суперсплавы (Ti, Ni…) | nACo GRADVIC |
nACo GRADVIC |
GRADVIC STARVIC | STARVIC GRADVIC | TiAlCN | STARVIC GRADVIC | TiN CrN | STARVIC GRADVIC | STARVIC GRADVIC |
Медь | CrN | CrN | CrN | CrN | CrN | CrN | CrN | CrN | CrN |
Бронза, латунь | TiCN TiCN-MP |
TiCN TiCN-MP |
TiCN TiCN-MP |
TiCN TiCN-MP |
TiCN TiCN-MP |
TiCN-MP | CrNTiN | TiCN TiCN-MP |
TiCN TiCN-MP |
Пластик | TiCN-MP TiAlCN |
TiCN-MP TiAlCN |
TiCN-MP TiAlCN |
TiCN-MP TiAlCN |
TiCN-MP TiAlCN |
TiNCrN |
Понятие «инструмент с покрытием» ассоциируется у большинства технологов с золотисто-желтым цветом инструмента. Это цвет нитрида титана TiN, наиболее распространен 2–3 раза. Это покрытие применяется также для литейных форм и снижения трения в деталях машин. При использовании современных установок, позволяющих оптимизировать покрытие под конкретные условия обработки, возможно еще более значительное увеличение стойкости по сравнению с непокрытым инструментом. Для исторической справедливости следует упомянуть TiC, поскольку именно с него началось нанесение покрытий на инструмент вообще. Это покрытие обладает очень высокой твердостью (3400 HV 0,05), что обеспечивает надежную защиту от износа. Однако диффузионная стойкость у него существенно ниже, чем у TiN, поэтому оно хуже защищает от луночного износа. Стойкость к окислительному износу у покрытия на основе TiC также невысокая. Все это ограничивает его применение.
Как отмечалось выше, покрытие TiN наиболее распространенное в мире. Основными его «конкурентами» являются TiCN и TiAlN, и их доля в последнее время неуклонно растет.
Карбонитридтитана TiCN (более правильное написание Ti(C,N), так как содержание углерода может быть различным) находит применение как в качестве твердого покрытия на инструмент, так и снижающего трение покрытия на детали машин. Покрытие часто имееет многослойную структуру с постепенным увеличением к поверхности доли углерода. Замещение атомов азота углеродом в кристаллической решетке нитрида титана приводит к повышению твердости, что увеличивает износостойкость, но делает покрытие более хрупким. Для увеличения вязкости используются различные способы, в частности, проводится нанесение нескольких слоев таким образом, чтобы между ними создавались внутренние напряжения. Например, покрытия TiCN-MP применяются для прерывистой металлообработки, фрезерования, нарезания резьбы метчиком, вырубки из листового материала, гибки и штамповки. Эффективность обычного и оптимизированного покрытия TiCN применительно к вырубным штампам.
Цель создания покрытий (Ti,Al)N заключалась в увеличении их тепло и износостойкости, стойкости к окислительному износу по сравнению с существующими покрытиями. По сравнению с TiN и Ti(C,N) покрытия (Ti,Al)N обладают лучшей стойкостью к окислению при более высокой твердости. (Ti,Al)N создает тепловой барьер, практически изолирующий инструментальный материал. Происходит перераспределение тепловых потоков, и большая часть тепла уходит в стружку.
Областью применения инструментов с покрытием (Ti,Al)N является обработка с большими термическими нагрузками на инструмент. К таким операциям относится практически любая высокопроизводительная обработка, когда скорость резания приводит к увеличению температуры в зоне контакта между заготовкой и инструментом. Без инструментов с покрытием (Ti,Al)N невозможно реализовывать высокоскоростную обработку, обработку без применения СОЖ, обработку материалов в твердом состоянии (твердая обработка).
(Ti,Al)N наносится только физическим способом. Покрытие (Ti,Al)N также может быть оптимизировано для конкретного случая применения. Например, при нанесении оптимизированного покрытия (Ti,Al)N на быстрорежущие развертки их стойкость возрастает более чем в четыре раза по сравнению с инструментом без покрытия и более чем в два раза по сравнению с покрытием из TiN. Покрытие из (Ti,Al)N стандартно наносится как однослойное или многослойное. Продолжительность нанесения многослойного покрытия больше, но оно обладает способностью поглощать трещины и увеличивать стойкость инструмента.
(Ti,Al)N послужил базой для создания широкого спектра покрытий на основе алюминия и титана. Повышение доли алюминия увеличивает способность покрытия выдерживать высокие термические нагрузки. Такое покрытие обозначается как AlTiN, также наносится как одно- или многослойное, обладает очень высокой износостойкостью. Является практически идеальным для инструмента, выполняющего операции высокоскоростной обработки без применения СОЖ, а также твердой обработки.
Покрытие μAlTiN представляет собой однослойный вариант покрытия AlTiN с существенно улучшенным качеством поверхности. Возникающие на поверхности покрытия в процессе его нанесения капли исходного материала могут создавать препятствия для схода стружки. Наличие капель является одним из недостатков процесса физического нанесения покрытия дуговым методом. Обычно для улучшения качества поверхность инструмента после нанесения покрытия полируется. При нанесении μAlTiN высокое качество поверхности обеспечивается самим процессом и не требует дополнительного полирования. Сочетание качества поверхности с высоким содержанием алюминия, придающим покрытию тепловую стойкость и возможность обеспечения стабильности режущей кромки, создает особые преимущества при приме- нении этого покрытия на прецизионном инструменте для об- работки резьбы, развертках и т.д.
Из покрытий на основе алюминия и титана TiAlCN-G, которые можно наносить на компактных установках в условиях инструментального цеха или производства, наиболее многообещающим является градиентное покрытие TiAlCN-G. Градиентным называется покрытие, структура которого плавно меняется от основы к наружной поверхности (в отличие от многослойных покрытий, где слои различных материалов имеют четкие границы и чередуются). Покрытие TiAlCN является практически универсальным. Оно обладает высокой вязкостью, твердостью, теплостойкостью и низким коэффициентом трения. Может применяться практически при любых операциях обработки резанием и давлением. Эффективность этого покрытия можно проиллюстрировать на следующем примере. При операции растачивания большого отверстия в шатуне применение пластины с этим покрытием позволило без подналадки на размер обработать такое же количество деталей, какое было обработано пластиной с покрытием TiAlN с тремя подналадками, и в полтора раза больше деталей, чем было обработано пластиной с покрытием TiN с четырьмя под наладками.
Существует целая группа покрытий с менее широкой областью применения, чем у тех, о которых шла речь выше. В конкретных областях эти покрытия позволяют существен но повысить потребительские свойства изделий, на которые они наносятся.
В качестве наиболее яркого примера можно назвать покрытие CrN, которое применяется в основном для нанесения на штампы, прессформы и детали машин. Низкая температура нанесения (около 200°С) обеспечивает сохранение твердости материала, на который наносится покрытие. Покрытие CrN на форме для литья под давлением повышает ее стойкость более чем в 5 раз, а его оптимизация увеличивает стойкость еще в два раза.
Покрытие Ti2N имеет высокое содержание титана и при нанесении на режущий инструмент облегчает обработку материалов, дающих длинную стружку. Оно также применяется для прецизионных вырубных инструментов. В то же время производителей медицинских имплантатов привлекает биологическая совместимость такого покрытия.
Специализированное однослойное покрытие ZrN эффективно снижает наростообразование при обработке алюминиевых и титановых сплавов.
Отдельную группу составляют самосмазывающиеся покрытия, создающие эффект смазывания даже в сухом состоянии. В результате сокращается поверхностное трение между деталью и инструментом и связанное с ним выделение теп- ла. Самосмазывающиеся покрытия разделяются на мягкие и твердые. Наиболее известным мягким покрытием является дисульфид молибдена MoS2 (MOVIC®), которое наносится в отдельном процессе поверх основного покрытия. Ограничено применяется это покрытие и в резании, например, при глубоком сверлении.
TiAlN на пушечном сверле позволяет отказаться от интенсивного внутреннего подвода СОЖ под высоким давлением в пользу минимального смазывания при одновременном повышении скорости резания, подачи и стойкости инструмента. Покрытие MOVIC®, нанесенное поверх оптимизированного покрытия TiCN-MP, носит название STARVIC®.
Более широкое применение для резания находят твердые самосмазывающие покрытия, которые могут наносится в том же цикле, что и основные покрытия. К ним относятся, в частности, покрытия на основе аморфного углерода (графита) a-C и водородосодержащие покрытия металл-углерод Me-C:H, например WC/C.
Однослойное покрытие на основе графита CBC, нанесенное поверх покрытия CrN (носит название CROMVIC®) на бесстружечный метчик, увеличивает его стойкость более чем в 20 раз (рис.12). Покрытие имеет нано- градиентную структуру и защищает инструмент от возникновения нароста на кромках, что делает его идеальным, напри- мер, при обработке метчиками алюминиевых сплавов. Аналогичное градиентное покрытие CBC, нанесенное поверх TiAlCN и носящее фирменное название GRADVIC®, применяется при обработке высоколегированных материалов, титановых и никелевых сплавов, особенно при нарезании резьбы.
Последними по порядку, но не по значимости, являются нанокомпозитные покрытия nACo®. Можно с уверенностью сказать, что этим покрытиям, наносимым в настоящее время только на компактных установках фирмы Platit с вертикальными близкорасположенными вращающимися катодами (технология LARC®), принадлежит будущее. Нанокомпозитная структура представляет собой нанокристаллические зерна материала покрытия, внедренные в аморфную матрицу. Покрытия носят названия nACo® (на базе Ti,Al) и nACRo® (на базе Cr, Al). Нанокомпозитное покрытие обладает очень высокой твердостью. Уникальность материала заключается в том, что с увеличением твердости одновременно увеличивается и эластичность покрытия, хотя эти два параметра являются взаимно исключающими. В результате покрытие одинаково хорошо работает и при высокопроизводительной обработке, и в обычных условиях.
Как видно из приведенного краткого обзора, покрытий достаточно много. Подспорьем в выборе оптимального покрытия в зависимости от обрабатываемого материала и метода обработки может послужить технология, разработанная фирмой Platit.
Д.Локтев, Е.Ямашкин.