Vlastnosti a mechanismy opotřebení povlaků na bázi TiAlN v obrábění

Obrábění je výzkumné téma s velkým zájmem, protože se jedná o související proces pro výrobu vysoce přesných a kvalitních dílů pro různá průmyslová odvětví. Jedním ze zaměření prováděného výzkumu je zlepšování procesů, jedním z nich je tvorba a aplikace povlaků nástrojů v různých obráběcích operacích. Tyto povlaky zlepšují produktivitu procesu a životnost obráběcích nástrojů a vyvíjejí se nové povlaky pro použití v různých obráběcích aplikacích. Díky úžasné odolnosti proti opotřebení a vysokým mechanickým vlastnostem povlaků TiAlN při vysokých rychlostech zpracování, dobré tepelné stabilitě a odolnosti proti korozi i při vyšších teplotách zpracování jsou povlaky TiAlN v dnešních průmyslových aplikacích stále velmi běžné. V této recenzi autoři představují komplexní diskusi o použití povlaků na bázi TiAlN a shromažďují a prezentují nejnovější informace o vývoji těchto relevantních povlaků strukturovaným a organizovaným způsobem.

Princip návrhu povlaků obráběcích nástrojů spočívá v ladění jejich mechanických vlastností řízením jejich složení a mikrostruktury na základě požadovaných mechanických vlastností, aby splňovaly specifické požadavky aplikace. Pro různé scénáře aplikace je k dispozici řada různých provedení povlaků, jak je znázorněno na obrázku 1.

Různé typy problémů lze řešit výběrem různých typů struktur povlaků, například použití vícevrstvých povlaků může výrazně zlepšit výkon nástroje ve srovnání s jednovrstvými povlaky. Například vícevrstvé povlaky mají výrazně větší odolnost proti růstu trhlin než jednovrstvé povlaky. Kromě toho zvýšení počtu vrstev také pomáhá zlepšit vlastnosti, jako je povrchová tvrdost nástroje. Obr. 2 ukazuje chování různých struktur povlaků při šíření povrchových trhlin.

Tento článek se zaměřuje na nové povlaky, demonstruje povlaky shromážděné z různých zdrojů a jejich vlastnosti a ukazuje běžné mechanismy opotřebení, kterými jsou tyto povlaky detekovány při soustružení a frézování různých slitin (včetně oceli, titanu a slitin na bázi niklu). Analýza těchto mechanismů opotřebení poskytuje mimořádně cenné informace pro zlepšení a optimalizaci obráběcích procesů. Při obrábění určitých typů slitin specifickým povlakovaným nástrojem lze tyto identifikovat podle běžných trendů opotřebení nástroje. Hodnocení opotřebení povrchu nástroje se obvykle charakterizuje pomocí SEM. Jak je znázorněno na obrázku 3 níže, opotřebení frézy s povlakem TiAlN lze pozorovat po obrábění slitiny Inconel.

Výzkumný trend v oblasti povlaků na bázi TiAlN se zaměřuje především na modifikaci povlaků na bázi TiAlN dopováním některých prvků, jako je Ru, Mo a Ta, v povlakech, a to kvůli jejich velkému potenciálu pro zlepšení mechanických vlastností a vlastností proti opotřebení. Přidání těchto prvků také ovlivňuje strukturu povlaku, čímž zlepšuje jeho provozní chování. Na obr. 4 lze pozorovat tři povlaky TiAlN dopované různým obsahem ruthenia a výsledky ukazují, že struktura povlaků je s rostoucím obsahem ruthenia rovnoměrnější. Tento článek dále hodnotí mechanické vlastnosti všech těchto povlaků a povlak na bázi TiAlN s obsahem ruthenia 7% vykazuje nejlepší mechanické vlastnosti. Výzkum těchto dopujících prvků je populární a má velký potenciál pro zlepšení výkonu povlaků nástrojů. Článek hodnotí nejnovější a nejoblíbenější dopující prvky a popisuje běžné metriky hodnocení mechanických vlastností těchto povlaků (souvisejících s chováním povlaků při opotřebení), jako jsou: tvrdost, houževnatost, poměr H/E (viskozita) a součinitel tření. Tyto hodnoty budou také použity pro hodnocení nových nanokompozitů a povlaků na bázi nano-TiAlN.

Dalším významným trendem ve výzkumu povlaků TiAlN je vytváření nových nanovrstev a nanokompozitních povlaků nástrojů, protože tenčí povlaky mohou výrazně zlepšit aplikační výkon při obrábění. Bylo prokázáno, že tyto povlaky v různých obráběcích procesech zlepšují mechanické vlastnosti a strukturu a vlastnosti povlaku, zejména jeho odolnost proti opotřebení. Pokud jde o mechanismus opotřebení povlaku, studie zjistila, že hlavními mechanismy opotřebení během frézování jsou adhezní opotřebení a abrazivní opotřebení, nicméně použití nanovrstvy může zlepšit adhezní poškození, kterým povlak trpí. Povlaky používané v soustružení obvykle vykazují abrazivní opotřebení a oděr a některé povlaky vykazují také adhezní opotřebení. Při frézování použití nanovrstev a nanokompozitních povlaků zlepšuje řezný výkon a životnost povlakovaných nástrojů a tyto typy povlaků překonávají konvenční jednovrstvé povlaky na bázi TiAlN. Hodnoty tvrdosti a Youngova modulu nanovrstev a nanokompozitních povlaků na bázi TiAlN jsou uvedeny v tabulce 1.