Инструментальные материалы с износостойким покрытием

В мировой практике металлообработки все большее применение находят инструментальные материалы с покрытиями. Тонкие «пленочные» покрытия толщиной от 2 до 10 мкм наносят на поверхность заточенного и доведенного инструмента из быстрорежущей стали, твердого сплава и режущей керамики, которые позволяют улучшить ряд служебных характеристик инструмента и значительно изменить условия его работы. Снижение сил и температур резания на 20-40%, позволяет повысить стойкость режущего инструмента в 2 и выше раз, или увеличить скорость резания от 20 до 60% и значительно улучшить шероховатость обработки.

К износостойкому покрытию для режущего инструмента предъявляется ряд требований:

1. Высокая микротвердость, в 1,5…2 раза превышающая твердость инструментального материала;

2. Высокая износостойкость (т.е. необходимо обладать сопротивлением к поверхностному усталостному разрушению);

3. Низкая склонность к адгезии (химическому взаимодействию) с обрабатываемым материалом;

4. Сохранение основных свойств, при высоких температурах (быть устойчивым против коррозии и окисления);

5. Минимальная способность к диффузионному растворению в обрабатываемом материале:

6. Высокая прочность сцепления с инструментальным материалом.

Ряд требований носит противоречивый характер, например низкую адгезию к обрабатываемому материалу и высокую прочность сцепления с инструментальным материалом. При резании сталей, в основе которых содержится железо, инструментом из быстрорежущей стали, в основе которой также содержится железо целесообразнее всего наносить многослойныеили композиционныепокрытия. У многослойныхпокрытий нижний слой, прилегающий к инструментальному материалу, обеспечивает прочное сцепление с ним, а верхний - минимальное схватывание с обрабатываемым материалом. Промежуточные слои могут выполнять роль связующих слоев, слоев с тепловыми барьерами или слоев препятствующих продвижению трещин при разрушении покрытий.

Композиционные покрытия - это покрытия изменяющие свой состав и свойства по толщине: например для быстрорежущего инструмента состав покрытия может постепенно переходить от нитрида циркония (ZrN), обеспечивающего наилучшее сцепление с инструментальной подложкой, к нитриду ниобия (NbN), дающего аномально низкое схватывание с железосодержащими обрабатываемыми материалами.

В качестве материалов для покрытий используют карбиды, карбонитриды, натриды, бориды и силициды тугоплавких металлов IV - VI групп периодической системы элементов (IV - титан, цирконий, гафний; V - ванадий, ниобий, тантал; VI - хром, молибден, вольфрам). Применяется также оксид алюминия Аl₂О₃ и алмазоподобные покрытия на основе углерода.

Наибольшее распространение для нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент получили методы химического (газофазного) осаждения покрытий (ХОП) или методы CVD (Chemical Vapour Deposition), термодиффузионное насыщение поверхности (ТДН) и физическое осаждение покрытий в вакууме (ФОП) или PVD (Physical Vapour Deposition).