Химические методы осаждения покрытий. Свойства, области применения

Разновидностями метода химического осаждения являются высокотемпературное осаждение покрытий – high-temperature (HT-CVD), среднетемпературное осаждение – medium-temperature (MT-CVD) и осаждение покрытий с плазменным сопровождением – plasma assisted (PA-CVD); метода физического осаждения – ионно-термическое, электродуговое и ионное распыление.

Методами CVD наносятся покрытия на основе нитридов, карбидов, оксидов и карбонитридов тугоплавких металлов. Кроме того, с их помощью наносятся покрытия с алмазоподобной структурой. Наибольшее распространение в инструментальном производстве получили следующие соединения, формируемые процессами CVD: TiN, TiC, TiCN, Al203. Указанные соединения применяются как в качестве однослойных покрытий, так и в качестве отдельных слоев многослойного покрытия. Типичные многослойные покрытия, предлагаемые ведущими мировыми производителями твердосплавных инструментов – Sandvik Coromant, Kennametal Hertel, ISCAR и др., а также некоторые области их эффективного применения, представлены на рис. 6.9 и в табл. 6.9

Рисунок 6.9

Таблица 6.9

В многослойном покрытии каждый из слоев выполняет строго регламентированные служебные функции. Например, в покрытии TiN-TiCN-Al2O3наружный слой Al2O3 предназначен для сдерживания диффузионных процессов, снижения физико-химического взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов, снижения склонности инструментального материала к окислению при повышенных температурах резания. Слой TiN обладает кристаллохимической совместимостью с твердосплавной основой, а слой на основе карбонитрида титана TiCN используется для повышения прочности адгезионной связи между инструментальным материалом и наружным слоем покрытия.

Важной характеристикой покрытия является его толщина. С одной стороны, ее рост благоприятно сказывается на повышении износостойкости контактных площадок инструмента, с другой – приводит к заметному увеличению количества дефектов в покрытии, снижению прочности сцепления покрытия с инструментальным материалом и уменьшению способности покрытия сопротивляться хрупкому разрушению. По этой причине при нанесении покрытий на режущие инструменты, эксплуатирующиеся в условиях прерывистого резания, например, при фрезеровании, когда покрытие должно сопротивляться циклическим нагрузкам, его толщина, как правило, не превышает 3…5 мкм, в то время как при точении в некоторых случаях этот показатель может достигать 15 мкм.

Основным направлением совершенствования твердого сплава с CVD-покрытиями является снижение хрупкости его поверхностного слоя.

Появление технологий MT-CVD также не смогло до конца решить эту проблему. Величина растягивающих напряжений в поверхностном слое покрытий, получаемых по технологии MT-CVD, несколько ниже, чем у аналогичных, полученных высокотемпературным CVD-методом, но все же достаточна чтобы привести к зарождению трещин.

Одним из решений данной проблемы может служить технология предложенная фирмой Sandvik Coromant. Согласно данной технологии, после нанесения на твердосплавную основу покрытия TiСN/Al203/TiN, передняя поверхность пластины полируется по специальной технологии, в результате чего полностью снимается слой нитрида титана и верхний слой оксида алюминия. Удаление всего 2…3 мкм от общей толщины покрытия дает возможность снизить уровень внутренних растягивающих напряжений в 2 раза и ликвидировать большую часть зародышей трещин. Такие покрытия получили название «Low stress coating». Кроме того, полировка «обнажает» наиболее плотный и износостойкий слой оксида алюминия, который наилучшим образом сопротивляется диффузионному и абразивному износу. Гладкая передняя поверхность дает дополнительные преимущества при обработке вязких материалов – на ней практически отсутствует схватывание с обрабатываемым материалом. Задняя поверхность, сохранившая всю толщину покрытия, эффективно сопротивляется действующим на нее нагрузкам.

Рис 6.10 Характер износа твердосплавных пластин с различными видами покрытий

Как видно из рис. 6.10, применение покрытий TiСN/Al203/TiN «Low stress coating» существенно снижает износ твердосплавных пластин по задней поверхности по сравнению с покрытиями, нанесенными по традиционной технологии.

Необходимо отметить, что на сегодняшний день порядка 80% всего выпускающегося твердосплавного инструмента имеют различные покрытия, большую часть которых составляют покрытия, нанесенные по технологиям CVD. Данные технологии обеспечивают равномерное нанесение покрытий высокой плотности на рабочие поверхности инструмента и обеспечивают достаточно высокую производительность режущего инструмента.

Существенными недостатками CVD-методов являются достаточно высокие температуры, при которых они реализуются, сложность управления составом и структурой формируемых покрытий в широких пределах, а также то обстоятельство, что они практически не используются для нанесения многоэлементных покрытий типа (Ti,Me)N, (Ti,Me1,Me2)N.