Об этом сообщается в научном журнале «Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение».
Фрезы, сверла, резцы проходческих комбайнов, а также буры и элементы двигателей и турбин эксплуатируются в жестких условиях: высокие скорости, трение, нагрев и агрессивные среды. Это приводит к их быстрому износу и выходу из строя. Для увеличения срока службы на инструмент наносят защитные пленки. Однако традиционные покрытия, в частности на основе нитрида титана, уже не соответствуют требованиям современного оборудования, поскольку материалы становятся тверже, а скорости обработки возрастают.
Перспективной заменой устаревшим покрытиям может стать соединение ZrAlN, состоящее из циркония, алюминия и азота. Оно выдерживает экстремально высокие температуры без разрушения и способно выдерживать нагрузку более 7 кг даже при высокой температуре. Материал обладает высокой твердостью и надежно защищает инструмент от истирания. Кроме того, он устойчив к коррозии в агрессивных средах и не трескается при резких перепадах температур.
Соединение ZrAlN также имеет полезные электрические и оптические свойства, что делает его перспективным для высокотехнологичных отраслей промышленности. Стоимость нанесения такого покрытия лишь незначительно выше, чем нитрида титана.
Характеристики ZrAlN:
- микротвёрдость около 24 ГПа. Это в разы выше, чем у конструкционной стали, что даёт стойкость к абразивному износу;
- покрытие уменьшает нагрев инструмента за счёт снижения трения;
- сохраняет защитные свойства при температурах более 100 оС, не окисляется так быстро, как более простые нитриды;
- покрытие не отслаивается даже под большой локальной нагрузкой (в экспериментах выдерживало усилие свыше 70 Н на острие индентора);
- коррозионная стойкость.
- содержание азота. При содержание азота около 10 % формируется плотная структура с высокой долей алюминия и максимальной твёрдостью. ПРиболее высоком содержании покрытие становится хрупким;
- соотношение аргона и азота критически влияет на фазовый состав и механические свойства. Для формирования стабильной гранецентрированной кубической (fcc) фазы ZrAlN с хорошей твёрдостью часто оптимален небольшой поток азота - примерно 1–2 см3/мин при общем рабочем давлении около 0,7–0,8 Па. Если азота подавать заметно больше, структура может стать аморфной или начать формироваться нежелательная фаза (например, Zr3N4), что снизит твёрдость и повысит хрупкость;
- оптимальное рабочее давление в камере - 0,4–0,8 Па. При низком давлении плазма может быть недостаточно плотной, при высоком давлении возрастает вероятность столкновений ионов и атомов в плазме до того, как они достигнут подложки, что делает покрытие более рыхлой, пористой структурой;
- если в покрытии больше алюминия - будет выше термостойкость и стойкость к окислению, но нужно сохранять достаточную твёрдость за счёт циркония.
До настоящего времени это соединение оставалось малоизученным в России и мире, поскольку не были определены точные параметры процесса напыления, обеспечивающие максимальную эффективность покрытия в сложных условиях эксплуатации.
Ученые ПНИПУ исследовали, как давление газа в камере и доля азота влияют на качество получаемого слоя. Они провели серию экспериментов, нанося покрытие при различных значениях давления и содержания азота. Целью было определить такой режим напыления, при котором покрытие одновременно обладает высокой твердостью, низким коэффициентом трения, устойчивостью к нагреву и прочным сцеплением с основой.
Далее специалисты оценили прочностные и качественные характеристики образцов. Сначала с помощью рентгеновского дифрактометра, электронного микроскопа и микрорентгеноспектрального анализатора изучили структуру покрытий, их состав, расположение кристаллов и наличие дефектов. Затем измерили микротвердость методом вдавливания алмазного наконечника. Для определения прочности сцепления покрытия с инструментом его царапали алмазной иглой с постепенно увеличивающейся нагрузкой, фиксируя силу, при которой появляются первые трещины и отслоения. Также замерили глубину проникновения иглы, силу трения и коэффициент трения.
В результате были установлены оптимальные давление и количество азота, при которых формируется соединение ZrAlN с характеристиками, сопоставимыми с зарубежными аналогами.
Выяснилось, что при содержании азота 40% покрытие получается хрупким, похожим на аморфное стекло, и быстро растрескивается. Наилучшие результаты показало напыление при концентрации азота всего 10%. Такое покрытие содержит рекордное количество алюминия, имеет микротвердость почти 24 ГПа, что в разы превышает твердость стали, и низкий коэффициент трения, благодаря чему инструмент меньше нагревается во время работы.
Ключевым преимуществом стала высокая прочность: даже при значительной нагрузке покрытие не отслаивалось, а лишь истиралось. Чтобы пробить его до основы, потребовалось приложить усилие более 70 Н, что эквивалентно нагрузке от гири массой 7 кг, сфокусированной на острие алмазной иглы. Для тончайшего слоя это очень высокий показатель.
Как отметила доктор технических наук, профессор кафедры инновационных технологий машиностроения ПНИПУ А. Каменева, структура, твердость и прочность сцепления покрытия зависят от условий напыления, включая давление газа и содержание азота. По ее словам, избыток азота делает материал хрупким, тогда как при низком содержании азота формируется слой с оптимальными характеристиками.
Источник фото: ПНИПУ
Результаты работы позволят улучшить качество покрытий для режущего инструмента, деталей машин и резцов проходческих комбайнов, работающих при высоких нагрузках и трении. Это увеличит срок службы буров, фрез, сверл и других быстроизнашивающихся элементов, сократит частоту замены инструмента, ускорит обработку деталей и снизит производственные затраты. Для предприятий это означает уменьшение расходов и рост объемов выпуска.
Нитрид титана, используемый сегодня в качестве защитного покрытия для режущего инструмента, применяется с 1960-х г. Однако с ужесточением требований к обработке современных материалов его возможностей становится недостаточно, что стимулирует разработку новых многокомпонентных покрытий, таких как ZrAlN.
Автор: А. Шевченко
