Компания Sandvik Coromant проводит исследования по созданию покрытий с низким уровнем внутренних напряжений, которые обладают полезными свойствами для работоспособности режущей кромки пластины. Результатом исследований стал выпуск нескольких новых марок твёрдых сплавов. В данной статье мы поговорим о внутренних напряжениях и их влиянии на работоспособность режущей пластины.

Основное предназначение износостойкого покрытия - это увеличение производительности за счет возможности работы с высокими скоростями резания и подачами. При создании любого нового износостойкого покрытия важно определить потенциальные причины выхода пластины из строя и разработать свойства покрытия, противодействующие этим факторам износа. Каждый элемент современного многослойного покрытия имеет свою функцию. Их совокупность определяется комбинацией метода нанесения покрытия и материалом слоев покрытия, которые защищают пластину от преждевременного выхода из строя и позволяют улучшить её работоспособность.

Износостойкие покрытия стали неотъемлемой частью современных инструментальных материалов, и большинство современных пластин снабжены тем или иным покрытием. Наибольшей популярностью пользуются многослойные покрытия, состоящие из нескольких основных слоев, разделенных тонкими промежуточными слоями. Технология нанесения позволяет придать им характеристики, необходимые для конкретных условий обработки, и гарантировать, что покрытие эффективно дополняет физико-механические свойства основы из твёрдого сплава. В многослойном покрытии каждый износостойкий слой выполняет свою функцию, улучшающую эксплуатационные свойства режущей кромки. Варьируя состав и толщину слоев, можно создавать либо твёрдые сплавы, предназначенные для обработки определенной группы материалов или выполняющих конкретную операцию, либо универсальные в применении твёрдые сплавы для разных обрабатываемых материалов и операций.

Для нового поколения твёрдых сплавов Sandvik Coromant используются износостойкие покрытия с низким уровнем внутренних напряжений. В эту группу входят сплавы марок: GC4225, предназначенные для токарной и GC4240 – для фрезерной обработки сталей, группа ISO P; GC3205, GC3210, GC3215 – для точения и GC3220 – для фрезерования чугунов, группа ISO K. Покрытия для этих сплавов наносятся химическим способом и состоят из слоев карбонитрида титана (TiCN), оксида алюминия (Al2O3) и нитрида титана (TiN). Режущие пластины и, стало быть, материалы, из которых они состоят, испытывают различные нагрузки и напряжения. Внешние нагрузки возникают при работе инструмента. В пластинах после их изготовления сохраняются внутренние напряжения, которые могут быть либо растягивающими, либо сжимающими.

Износостойкое покрытие наносят при высокой температуре. Основа сплава и покрытие нагреты и свободны от внутренних напряжений. При охлаждении обязательно происходит усадка материалов. Материалы покрытия имеют больший коэффициент температурного расширения, чем твердосплавная основа, и при охлаждении подвергаются более сильной термической усадке. Это приводит к возникновению растягивающих напряжений в покрытии и сжимающих напряжений – в основе сплава. Растягивающие напряжения стараются расширить трещины на поверхности износостойкого покрытия. Снижение уровня остаточных растягивающих напряжений способствует уменьшению тенденции к развитию трещин и увеличению способности пластины к восприятию больших внешних нагрузок. Поэтому так важно снижать остаточные растягивающие напряжения, служащие прямым источником появления и развития трещин.

Общие свойства

Твердосплавная основа и покрытие имеют некоторые общие свойства. Оба обладают высокой твёрдостью, ударной вязкостью и износостойкостью. Вместе с тем, некоторые другие свойства у основы и покрытия различны и приводят к возникновению внутренних напряжений. Например, разный коэффициент термического расширения основы и покрытия приводит к возникновению напряжений в пограничном слое между ними. Хорошая адгезия между основой сплава и покрытием – важнейшее требование, потому что покрытие не сможет работать, если его не закрепить на твердом сплаве. В покрытии CVD адгезия обеспечивается путем создания взаимного диффузионного слоя между покрытием и основой.

Важными достижениями Sandvik Coromant является разработка среднетемпературного процесса химического нанесения износостойкого покрытия (MT-CVD), а также внедрение нового процесса дополнительной обработки покрытия, направленного на снижение уровня внутренних напряжений. Процесс MT-CVD используется для нанесения слоев покрытия TiCN или TiN. Покрытия MT-CVD сопротивляются растягивающим напряжениям, имеют хорошую ударную вязкость, стойкость к абразивному износу, химическую инертность и стойкость к термотрещинам. Такие свойства покрытия увеличивают эксплуатационные возможности режущей пластины.

Анализ процесса

Среднетемпературное нанесение покрытия влияет на структуру его слоев и, соответственно, на свойства покрытия. При среднетемпературном процессе кристаллы в слоях покрытия выращиваются определенным образом, в виде столбиков, перпендикулярных поверхности пластины. Ориентация кристаллов позволяет получить более твёрдую поверхность покрытия, что увеличивает сопротивляемость абразивному изнашиванию. Связи между атомами получаются короткими, а это уменьшает растягивающие напряжения в материале. Когда термическое или механическое воздействие создает микротрещины на поверхности покрытия, они развиваются в глуби- ну по границам вертикальных кристаллов TiCN, но не расходятся в стороны. Затем, когда микротрещина достигает основы твёрдого сплава, она поглощается его связкой без развития трещин в других направлениях. Это обеспечивает пластине прочность.

Покрытие MT-CVD TiCN используется в сочетании со слоем Al2O3. Оно представляет собой мелкозернистый, колоннообразный слой оксида алюминия. Это очень твёрдый материал, обладающий к тому же низкой теплопроводностью. Слой Al2O3 создает термобарьер, защищающий основу твёрдого сплава от высокой температуры. Дополнительная обработка износостойкого покрытия, разработанная Sandvik Coromant, – заключительная стадия производства режущих пластин. Она снижает внутренние напряжения и делает поверхность покрытия боле гладкой. Кроме того, эта обработка убирает зародыши трещин, образовавшиеся в процессе нанесения покрытия.