В металлообрабатывающей промышленности большое значение имеет качество режущих инструментов. Особенно при обработке высокопрочных твердых сплавов. Для повышения срока службы, например, фрезы или сверла, на них наносят упрочняющее покрытие, которое увеличивает его стойкость, твердость и производительность. Постоянно разрабатываются и совершенствуются новые технологии их нанесения.

В последнее время широко распространен метод магнетронного распыления, при котором структура тонкого покрытия образуется за счет импульсного нанесения металлической плазмы. Но возможности такой техники еще не до конца изучены. Ученые ПНИПУ установили оптимальные параметры распыления, которые формируют инструментальное покрытие с необходимыми свойствами и составом.

Статья опубликована в научно-техническом журнале «Станкоинструмент». Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Инструментальные покрытия обладают высокой твердостью, химической стойкостью и температурной стабильностью. Их нанесение на сверла, фрезы, метчики и сменные режущие пластины обеспечивает хорошую производительность процесса металлообработки, так как повышается время службы инструмента и снижаются совокупные затраты на них.

Покрытия на основе только одного компонента (нитрида титана, хрома или циркония) не соответствуют высоким требованиям современных потребителей. Более функциональны многокомпонентные покрытия, особенно нитрид титана-алюминия (TiAlN). Благодаря его свойствам в процессе работы на поверхности образуется тонкий оксидный защитный слой, который препятствует появлению наростов и увеличивает работоспособность инструмента.

Ученые Пермского Политеха изучили влияние параметров магнетронного распыления на структуру и свойства формируемого покрытия на основе TiAlN. Экспериментально определили, как частота импульсов, подаваемых в процессе, влияет на его фазовый и химический состав, микроструктуру и физико-механические свойства.

«Распыление – это процесс, при котором атомы или молекулы переносятся от мишени, в данном случае от материала из TiAlN, на поверхность инструмента. Это происходит в вакуумной камере при подаче газа низкого давления (обычно аргона). Газ превращается в плазму электрическим разрядом, создавая положительно заряженные ионы и свободные электроны. Они движутся к распыляемой мишени и ударяются о ее атомы, выбивая их. Затем атомы проходят через вакуумную камеру и прилипают к инструменту, создавая на поверхности тонкую прочную пленку. В таких условиях можно управлять параметрами металлической плазмы, формируя нужные свойства у покрытия», – объясняет кандидат технических наук, доцент кафедры технических дисциплин Лысьвенского филиала ПНИПУ Татьяна Сошина.

Политехники провели эксперименты с магнетронным распылением TiAlN на тестовые образцы из быстрорежущей стали при разной частоте импульсов (20 и 30 кГц). С помощью рентгена определяли фазовый состав покрытия. Это соотношение и распределение различных фаз (химических элементов) или структурных компонентов внутри сплава. Они могут взаимодействовать между собой и влиять на механические, термические, электрические и другие свойства материала.

Рентгенофазовый анализ показал, что большая частота импульсов 30 кГц снижает внутренние напряжения и степень деформации структуры. Формируется прочное нужное покрытие нитрид титана-алюминия с достаточной энергетической стимуляцией. Также меняется элементный состав: концентрация титана увеличивается до 26 процентов, а алюминия снижается до 22. Это приводит к приближению структурных параметров основных фаз к их стехиометрическим, то есть эталонным значениям.

«Анализ микроструктуры показал, что частота импульсов 20 кГц дает меньшую плотность структуры, тогда как при 30 кГц структура покрытия уплотняется. Также значительно уменьшается шероховатость поверхности, благодаря чему инструмент лучше прирабатывается», – отмечает Татьяна Сошина.

Исследование ученых ПНИПУ показало, что изменение частоты импульсов оказывает большое влияние на свойства и структуру инструментальных покрытий нитрид титана-алюминия. Установленные параметры позволяют получить прочное, устойчивое к деформациям покрытие, которое обеспечит долгий срок службы инструмента в металлообрабатывающей промышленности.