Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Структура, свойства, применение и методы получения композиционных покрытий на основе интерметаллидов системы ТІ-А1 11
1.1. Анализ методов нанесения композиционных покрытий на основе интерметаллидов системы Ti-Al 11
1.2. Анализ диаграммы состояния системы Ti-Al 23
1.3. Анализ структуры и свойств композиционных покрытий, получаемых осаждением из плазмы вакуумно-дугового разряда 28
1.4. Факторы, влияющие на стойкость штамповой оснастки и методы повышения стойкости штамповой оснастки 34
Выводы по главе 1 39
Глава 2. Объект, методы и методики экспериментальных исследований 41
2.1. Объект исследований, механические свойства исследованных материалов 41
2.2. Методика подготовки образцов 42
2.3. Описание модернизированной установки ННВ-6.6-И1 для плазменно-ассистированного нанесения покрытий и методика проведения экспериментов 42
2.4. Методика измерения толщины покрытия 45
2.5. Методика измерения микротвердости 45
2.6. Методы структурных исследований 47
2.7. Методика определения шероховатости 48
2.8. Методика определения износостойкости поверхности 49
Выводы по главе 2 з
Глава 3. Исследования физических и химических процессов нанесения композиционных покрытий на основе инетмерметаллидов системы ті-а1 из плазмы вакуумно-дугового разряда 52
3.1. Разработка способа и исследование физических и химических процессов нанесения композиционных покрытий на основе интерметаллидов системы Ti-Al из плазмы вакуумно-дугового разряда 52
3.2. Разработка математической модели синтеза покрытий на основе интерметаллида системы Ti-Al различного фазового состава из плазмы вакуумно-дугового разряда 56
3.3. Разработка программного продукта для расчета режимов нанесения покрытий на основе интерметаллида системы Ti-Al 60
3.4. Экспериментальные исследования скорости прироста покрытий 64
3.5. Теоретические расчеты толщины покрытия 66
Выводы по главе 3 69
Глава 4 Исследования структуры и свойств композиционных покрытий на основе интерметаллидов системы Ti-Al 70
4.1. Рентгеноструктурный анализ композиционных покрытий на основе интерметаллида системы Ti-Al, осаждаемых из плазмы вакуумно-дугового разряда без вращения 70
4.2. Рентгеноструктурный анализ композиционных покрытий на основе интерметаллида системы Ti-Al осаждаемых из плазмы вакуумно-дугового разряда с вращением вокруг оси рабочего стола 76
4.3. Экспериментальные результаты исследования толщины и шероховатости покрытий на основе интерметаллидов системы Ti-Al 4.4. Экспериментальные результаты исследования микротвердости композиционных покрытий на основе интерметаллидов системы Ti-Al 90
4.5. Экспериментальные результаты исследования износостойкости композиционных покрытий на основе интерметаллидов системы Ti-Al 94 Выводы по главе 4 101
Глава 5 Разработка технологического процесса нанесения композиционного покрытия на основе интерметаллидов системы ti-al на штамповую оснастку 102
5.1. Разработка технологического процесса для повышения стойкости матриц и пуансонов холодновысадочного автомата 102
5.2. Результаты производственных испытаний штамповой оснастки 108
Выводы по главе 5 114
Основные выводы и результаты работы 115
Список использованных источников
- Анализ структуры и свойств композиционных покрытий, получаемых осаждением из плазмы вакуумно-дугового разряда
- Описание модернизированной установки ННВ-6.6-И1 для плазменно-ассистированного нанесения покрытий и методика проведения экспериментов
- Разработка математической модели синтеза покрытий на основе интерметаллида системы Ti-Al различного фазового состава из плазмы вакуумно-дугового разряда
- Экспериментальные результаты исследования толщины и шероховатости покрытий на основе интерметаллидов системы Ti-Al 4.4. Экспериментальные результаты исследования микротвердости композиционных покрытий на основе интерметаллидов системы Ti-Al
Анализ структуры и свойств композиционных покрытий, получаемых осаждением из плазмы вакуумно-дугового разряда
Создание новых материалов покрытий с высокими физико-химическими свойствами и технологий их получения является одним из перспективных направлений развития промышленности [27, 34]. К таким покрытиям относятся композиционные многокомпонентные материалы на основе интерметаллидов системы Ti-Al, которые обладают уникальными свойствами. Покрытия на основе интерметаллидов системы Ti-Al представляют уникальный класс материалов, которые сохраняют упорядоченную структуру вплоть до температуры плавления.
Наиболее эффективным методом направленной модификации поверхностных свойств инструментального материала является нанесение функциональных покрытий на рабочие поверхности инструмента [27, 34, 45, 55,67, 77, 80].
Существуют различные методы получения покрытий на рабочих поверхностях инструментов и различных изделий. С учетом специфики протекания процессов формирования покрытий их можно разделить натри основные группы. К первой группе относятся методы, при которых формирование покрытий осуществляется преимущественно за счет диффузионных реакций между насыщающими элементами и структурами инструментального материала. Во вторую группу входят методы формирования покрытий по комплексному механизму. Покрытие образуется за счет реакций между парогазовыми смесями, состоящими из соединения металлоносителя, носителя второго компонента, служащего как газом-транспортером, так и восстановителем. При этом одновременно в процесс формирования покрытия большой вклад вносят субструктура поверхности материала инструмента и интердиффузионные реакции между конденсатом и материалом инструмента. К третьей группе можно отнести методы формирования покрытий за счет химических и плазмохимических реакций потока частиц на поверхности металлов.
Процессы физического осаждения покрытий обычно включают вакуумное испарение тугоплавкого металла-образователя соединения покрытия, его частичную или полную ионизацию, подачу реакционного газа, химические и плазмохимические реакции, конденсацию покрытия на рабочих поверхностях режущего инструмента.
Среди методов физического осаждения покрытий наибольшее распространение получил метод конденсации износостойких покрытий из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхности. Разработаны и применяются также методы ионного плакирования и ионизированного реактивного напыления, магнетронно-ионного распыления (метод МИР) и другие (ионное плакирование, метод реактивного электронно-лучевого плазменного осаждения покрытий из пароплазменной фазы в вакууме (РЭП), активированного реактивного напыления) [27, 84, 85].
В работе Божко И. А. [10, 11, 58] исследован способ получения поверхностно легированных слоев толщиной до 2 мкм с содержанием интерметаллидов системы
Ti-Al при высокоинтенсивной имплантации ионов алюминия с энергией 40 70 кЭв в чистый металл Ті. Установлена зависимость влияния режимов обработки (время имплантации, дозы облучения) на рост среднего размера зерен формируемых фаз в поверхностных ионно-легированных слоях титана. Исследования показали значительное улучшение механических свойств поверхностно-легированных слоев за счет формирования наноразмерных частиц интерметаллидных фаз состава ТізАІ, TiAl.
Недостатком данного способа является малая толщина покрытия, сложность технологического процесса. В работе В.П. Середы [70], Евстигнеева В.В. [40], Семенчиной С.А. [68] рассмотрены вопросы, связанные непосредственно с получением интерметаллидных сплавов в режиме теплового взрыва, процесс перехода от самовоспламенения к уплотнению синтезированного продукта и получению конечного продукта. В экспериментах определяли зависимости общей пористости образцов из yiAl сплава от времени выдержки под давлением, варьировали марки порошка титана, в значительной мере определяющие температуру пористой заготовки после прохождения по ней волны горения. Авторами изучен механизм структурообразования интерметаллидов системы Ti-Al при СВС в режиме теплового взрыва (рисунок 1.1).
В работе Павлюковой Д.В. [65] приведены исследования структуры поверхностных слоев пластин алюминия и титана в многослойных композитах, полученных по технологии сварки взрывом. Схема проведения экспериментов для формирования интерметаллидов систем Ti-Al методом сварки взрывом представлена на рисунке 1.2, а структура композиционного материала приведена на рисунке 1.3.
Формирование слоистых заготовок осуществлялось по параллельной схеме. Интерметаллидные прослойки ТіАЬ формировались на границах раздела титановых и алюминиевых пластин. В диссертационной работе Павлюковой были изучены триботехнические свойства исходных материалов (алюминия и титана), а также композитов типа «Ali» и «А1-А1зТі-Ті» при реализации схемы трения скольжения.
В работах N. Ergin, G, Yoruk, О. Ozdemir [89] рассмотрен метод формирования покрытий на основе интерметаллидов системы Ti-Al электроимпульсным спеканием под давлением на титановых образцах. Авторами получены покрытия толщиной 100 мкм и фазовым составом Ті+ТізАІ. Твердость полученных покрытий на основе интерметаллида ТізАІ составляла 450 HVo.5 Недостатками данного способа является невозможность получения покрытий аналогичного состава непосредственно на поверхности штампового инструмента. В работах Пячкина С. А, Буркова А. А и др [16, 86] для создания покрытий на основе интерметаллидов системы Ti-Al использовалась технология электроискрового легирования, основанная на переносе металлов с анода на катод при многократно повторяющемся воздействии электрических разрядов. Состав получаемых покрытий во многом определяется технологическими параметрами осаждения. Авторами установлено, что при осаждении титана на алюминий и алюминия на титан в аргоне, как правило, образуется а-ТіАЬ. При легировании в воздухе дополнительно возникают нитрид титана и оксид алюминия, что является недостатком. Толщина электроискровых покрытий ограничена в результате формирования хрупких фаз, накопления дефектов и разрушения поверхностного слоя под действием циклических термомеханических нагрузок [16, 86].
Авторами Tadayuki Sato, Atsushi Nezu et al. [102] предложен способ нанесения покрытий на основе интерметаллидов системы Ti-Al электродуговым напылением с подачей двух проволок из Тій Al. Схема проведения экспериментов представлена на рисунке 1.4. В результате экспериментов получены покрытия с фазовым составом ТізАІ+ТіАІ. Недостатками данного способа является сложность управления фазовым составом в покрытии, получение однородной структуры на инструментах сложной конфигурации.
Описание модернизированной установки ННВ-6.6-И1 для плазменно-ассистированного нанесения покрытий и методика проведения экспериментов
Внешнее трение твердых тел имеет двойственную (молекулярно-механическую или адгезионно-деформационную) природу. Контактирование твердых тел вследствие волнистости и шероховатости их поверхности происходит в отдельных зонах фактического касания. Суммарная плоскость этихзон-площадь касания, в пределах нагрузок невелика, это приводит к возникновению в зонах касания твердых тел значительных напряжений, нередко приводящих к появлению поверхностных пластических деформаций.
Деформирование поверхностных слоев подвижных сопряжений, рабочих органов машин и оборудования приводит к их частичному или полному изнашиванию.
Нагрузка на инструмент при штамповке складывается из большого числа частных нагрузок. Эти нагрузки возникают большей частью совместно, но доля их различна в зависимости от применяемого метода обработки и оборудования. Быстроходность, высокая точность применение труднодеформируемых материалов - все это еще более повышает требования к инструменту.
По основным признакам можно разделить нагрузки на механические и термические. Механические нагрузки. Большое число методов обработки требует от инструмента совершенно различных свойств; силы, появляющиеся при деформировании, вызывают сжатие, износ, удар по инструменту. Поэтому инструмент, с одной стороны, должен иметь хорошую вязкость, с другой стороны, высокую износостойкость, а также большую прочность и твердость. У некоторых инструментов, в особенности при конической или более сложной форме высадки, к этому добавляются разрывающие нагрузки, обусловленные большой величиной возникающих давлений. Эти разнотипные и частично противоположные нагрузки необходимо учитывать путем соответствующего конструирования инструмента и выбора способа обработки, подходящей инструментальной стали, правильной термообработки [2, 17].
Термические нагрузки. У инструмента для горячей обработки возникают дополнительно тепловые нагрузки, зависящие от температуры обработки, скорости обработки, продолжительности контакта между деталью и инструментом, условий охлаждения инструмента. Благодаря тепловым нагрузкам появляется значительный износ, в первую очередь выступающих кромок. К этим нагрузкам добавляются другие, обусловливаемые постоянной сменой температуры, благодаря длительным или коротким паузам между рабочими ходами. Поверхность инструмента нагревается вследствие контакта с деталью, температура которой постоянно изменяется и, кроме того, более или менее резко охлаждается в зависимости от вида охлаждения, например, охлаждения воздухом, сжатым воздухом, водой. Эти периодические температурные колебания и очень неравномерное распределение температуры в теле инструмента, обусловленные малой теплопроводностью легированных инструментальных сталей, ведут к возникновению термических напряжений, которые после некоторого времени эксплуатации становятся причиной появления трещин.
Стойкость инструмента различна при разных методах обработки. Но и на одном и том же оборудовании разные детали деформирующего инструментаимеют разную стойкость. У холодновысадочных автоматов, например, наиболее важными в этом отношении являются высадочные матрицы. Они сменяются до четырех в смену (в зависимости от нагрузки и конструкции инструмента, а также исходя из требований соблюдения очень узких допусков на стержень высаживаемого болта). Черновой и чистовой пуансоны имеют, как правило, более высокую стойкость. Еще большую стойкость у этих автоматов имеют отрезные ножи и отрезные матрицы, которые обычно меняются очень редко [2, 17].
Износ может носить как усталостный характер (от переменной нагрузки при большом числе циклов), так и абразивный (в результате взаимодействия вырванных частиц материала заготовки при ее срезе с поверхностями пуансона и матрицы). Однако долгое время в литературе указывалось лишь на превалирующее значение износа деталей штампа как вида его повреждения. В настоящее время установлено, что детали штампа работают в различных сочетаниях двух процессов - износа и усталости, причем эти процессы могут как ускорять, так и замедлять действие друг друга [60, 62, 64]. Из анализа факторов, влияющих на стойкость штамповой оснастки и механизма износа матриц холодно высадочного автомата, следует что для повышения эксплуатационных свойств штампового инструмента необходимо на рабочие поверхности наносить многослойное композиционное покрытие обладающие высокими ударостойкими характеристиками и износостойкостью.
Таким образом, анализ условий работы, причин выхода из строя штамповой оснастки, способов повышения их стойкости показал, что для обеспечения заданного ресурса покрытия должны обладать высокой адгезией, твердостью, пластичностью, низкой шероховатостью основы и покрытия.
Проблема увеличения стойкости штамповой оснастки для холодновысадочных автоматов актуальна на машиностроительном предприятии ОАО «Белебеевский завод «Автонормаль». На заводе применяется штамповая оснастка собственного производства: матрицы № 1108-6004-9 и № 1108-6003 холодновысадочного автомата из материала Р6М5 для обрезки шести- и четырехгранников болтов и пуансоны № 1135-6343-74, выполненные из быстрорежущей стали Р6М5 для операции редуцирования стержневой части болтов № 2110-8407038-10. Фотографии изношенной штамповой оснастки с покрытием TiN полученным по заводской технологии приведены на рисунке 1.10.
Разработка математической модели синтеза покрытий на основе интерметаллида системы Ti-Al различного фазового состава из плазмы вакуумно-дугового разряда
Осаждение покрытий на основе интерметаллидов системы Ti-Al было проведено на установке ННВ-6,6-И1. Режимы осаждения покрытий: Р«10 _3 Па, ток дугового разряда титана h ТІ = 90 А И алюминия hм = 60 А, радиус катода RK = 0,04 м, радиус стола RCT= 0,15 м, без вращения рабочего стола. Согласно данным полученным по программе, в вакуумной камере были расположены образцы из материала Р6М5. Схема расположения образцов приведена на рисунке 4.1:
Для выявления структурно-фазового состава покрытий были проведены рентгеноструктурные исследования. Полученные дифракто граммы при различных режимах обработки представлены на рисунках 4.2-4.4 и в таблице 4.1.
На дифрактограммах (рис 4.2-4.5) поверхности образцов из сталиР6М5после нанесения покрытия по разработанному способу обнаружены следующие интерметаллидные фазы системы TiAl: ТізАІ, TiAl, ТіАЬз. Таким образом, на образцах наблюдается полный набор фаз, соответствующий диаграмме состояний Ti-Al (ТізАІ - TiAl - ТіАІз).
На поверхности образца № 1 (рис 4.1), расположенного ближе к катоду из титана, предполагалась образование интерметаллидной фазы ТізАІ за счет большего ионного потока Ті в 3 раза по сравнению с ионным потоком А1 в этой области. На дифракто грамме поверхности этого образца (рис 4.3 а) обнаружено формирование следующих интерметаллидных фаз: ТізАІ (80 %) и TiAl (14 %).
На поверхности образцов № 2 и № 6 (рис 4.1), расположенных в предполагаемой области образования интерметаллидной фазы TiAl, за счет одинакового ионного потока Ті и А1. На дифрактограммах поверхности образцов (рис 4.2 б, рис 4.4 б) обнаружено формирование следующих интерметаллидных фаз: TiAl (85-87 %) и ТіА13 (до 10 %). На поверхности образцов № 3, 4, 5(рис 4.1), расположенных в центральной зоне в вакуумной камере, предполагалась образование интерметаллидной фазы ТіАІз, за счет большего ионного потока А1 в 3 раза по сравнению с ионным потоком Ті в этой области. На дифрактограммах поверхности образцов № 3, 4, 5 (рис 4.7 а,б, 4.8 а) обнаружено формирование следующих интерметаллидных фаз: ТіА13 (83-87 %) и ТІА1 (до 10 %).
На поверхности образцов № 7, 8 расположенных ближе к катоду А1, где ионный поток в единицу времени на единицу площади А1 многократно больше (nai/nti»3), чем ионный поток Ті в той же области, не предполагалось образование интерметаллидных фаз, однако на дифрактограммах поверхности данных образцов (рис 4.5 а,б) обнаружено формирование интерметаллидной фазы ТіАІз, но в незначительном объеме (до 10 %).
Таким образом, результаты рентгеноструктурного анализа образцов с покрытиями, нанесенными из плазмы вакуумно-дугового разряда по разработанной технологии при режимах ІДТІ=90 А, Ідді = 60 A, Un= 150 В, доказали возможность формирования интерметаллидов системы Ti-Al необходимого фазового состава в зависимости от пространственного расположения и технологических режимов.
Также был проведен рентгеноструктурный анализ образцов с наноструктурными покрытиями, полученными при одновременном осаждении из плазмы вакуумно-дугового разряда с двумя однокомпонентными катодами из Тій А1 и вращением рабочего стола с различными скоростями от 1, 3, 7, 14 об/мин и количеством слоев от 120 до 1680. При одном режиме обработки в вакуумную камеру располагали 4 образца на различных радиусах крепления относительно
Экспериментальные результаты исследования толщины и шероховатости покрытий на основе интерметаллидов системы Ti-Al 4.4. Экспериментальные результаты исследования микротвердости композиционных покрытий на основе интерметаллидов системы Ti-Al
На основе разработанной математической модели и анализа работ других авторов по упрочнению штампового инструмента для холодной штамповки, была разработана технология упрочнения штамповои оснастки. Повышение стойкости штамповои оснастки достигается за счет нанесения многослойного износостойкого покрытия на основе интерметаллида системы Ti-Al.
Из анализа факторов, влияющих на стойкость штамповои оснастки и механизма износа матриц холодно-высадочных автоматов выявлено, что для повышения эксплуатационных свойств штамповои оснастки требуются упрочняющие покрытия, обладающие высокими ударостойкими характеристиками, повышенной износостойкостью.
В качестве упрочняющего многослойного композиционного покрытия для повышения эксплуатационных свойств штамповои оснастки предложена следующая комбинация слоев: TiiAl3-(TiAl)N, где слои металла Ті образуют ударновязкие преграды. Слой Ті позволит повысить адгезионную прочность покрытия.
Слои (Ti,Al)N обладают теплобарьерными свойствами и высокими характеристиками износостойкости, т.к. соединения тугоплавких металлов IV группы (особенно нитриды) термодинамически более устойчивы по сравнению с соединениями металлов VI группы и обладают высокой стабильностью свойств во времени.
Расположение между слоями (Ti,Al)N и Ті покрытия микрослоев на основе интерметаллидов Ti-Al, обладающих значительной кристаллохимической совместимостью со слоями (Ti,Al)NH металлом, позволит снизить напряжение на границе раздела слоев, увеличить прочность связи слоев покрытия друг с другом и, тем самым, повысить адгезионную прочность покрытия в целом. Трещина при прохождении границы раздела слоев релаксирует в более мягком слое, теряя энергию для дальнейшего роста.
В качестве слоя на основе интерметаллида системы Ti-Al, предпочтительнее соединение ТіАІз, потому что данная фаза характеризуется более высокими эксплуатационными свойствами и прочностными характеристиками по сравнению с другими интерметаллидами системы Ti-Al.
Технологический процесс плазменно-ассистированного нанесения многослойного износостойкого покрытия на основе интерметаллида системы Ti-Al на обрезные матрицы и пуансоны холодновысадочного автомата включает в себя: предварительную подготовку обрабатываемых деталей; загрузку обрабатываемых деталей в камеру и откачку воздуха из камеры; ионную чистку деталей плазменным источником с накаленным катодом; чистку деталей электродуговыми испарителями; плазменно-ассистированное нанесение многослойного защитного покрытия на основе интерметаллида системы Ti-Al; охлаждение обработанных деталей в вакууме. Предварительная подготовка поверхности (химическая очистка) обрабатываемых деталей представляет собой удаление с поверхности видимых слоев органических загрязнений: остатков масел, смазочных материалов, отпечатков пальцев и жировых пятен. Как правило, используются органические растворители: этиловый спирт, ацетон. В особо ответственных случаях очистку проводят в ультразвуковых ваннах.
Ионная очистка и активирование на поверхности активных центров адсорбции и адгезии несамостоятельным сильноточным диффузионным разрядом производилась с помощью плазменного источника «ПИНК» в среде инертного газа аргона при давлении 5,2-102 Па. Напряжение на подложке составляло до 1000 В при токе несамостоятельного сильноточного диффузионного разряда до 40 А, длительность обработки 30 минут, в том числе 3-5 минут на максимальных режимах.
Очистка поверхности ионами аргона разрушает структуру поверхности и приводит к высокой концентрации дефектов поверхностного слоя. В процессе ионной очистки высокой энергией, производится предварительный подогрев подложки до 300 С.
Чистка деталей электродуговыми испарителями проводится в течения 3-5 минут, при напряжении на подложке 1000 В. При этом детали разогреваются до температуры 500-550 С.
Следующей стадией технологического процесса является плазменно-ассистированное нанесение многослойных покрытий на основе интерметаллида системы Ti-Al. Нанесение многослойных покрытий проводилось с двух электро дуговых испарителей при давлении в камере Ю-3 Па, потенциал на подложке составлял 150 В и при токе дуги электро дугового испарителя титана 90 А, алюминия 60 А. Осаждения покрытий проводилось с одновременной бомбардировкой ионами рабочего газа, генерируемыми плазменным источником «ПИНК», ток несамостятельного сильноточного диффузионного разряда составлял 10 А. Многослойное покрытие состоит из композиции Ті-ТіАІзiAlN. При напылении слоя чистого титана и интерметаллида ТіАІ в качестве рабочего газа использовался аргон, при напылении нитрида титана алюминия - азот.
Смена газов осуществлялась при помощи системы переключения газов, что позволило напылять покрытия в едином цикле. Время нанесения общего покрытия составило 70 минут. Первый адгезионный слой из чистого титана наносили в течении 5 минут. Второй и четвертый слои из нитридов титан алюминия напыляли в течении 20 минут. Третий слой из интерметаллида системы Ti-Al наносили в течении 25 минут.