خواص و مکانیسم های سایش پوشش های مبتنی بر TiAlN در ماشینکاری

فرآیند ماشینکاری یک موضوع تحقیقاتی مورد توجه بسیاری است زیرا یک فرآیند مرتبط برای تولید قطعات با دقت و کیفیت بالا برای بخش‌های مختلف صنعتی است. یکی از تمرکزهای تحقیقات انجام شده، بهبود فرآیند است که یکی از آنها ایجاد و کاربرد پوشش‌های ابزار در عملیات مختلف ماشینکاری است. این پوشش‌ها بهره‌وری فرآیند و عمر مفید ابزارهای ماشینکاری را بهبود می‌بخشند و پوشش‌های جدیدی برای استفاده در انواع کاربردهای ماشینکاری در حال توسعه هستند. با توجه به مقاومت سایشی شگفت‌انگیز و خواص مکانیکی بالای پوشش‌های TiAlN در سرعت‌های بالای پردازش، پایداری حرارتی خوب و مقاومت در برابر خوردگی حتی در دماهای بالاتر پردازش، پوشش‌های TiAlN هنوز هم در کاربردهای صنعتی امروزی بسیار رایج هستند. در این بررسی، نویسندگان بحث جامعی در مورد استفاده از پوشش‌های مبتنی بر TiAlN ارائه می‌دهند و آخرین اطلاعات در مورد توسعه این پوشش‌های مرتبط را به شیوه‌ای ساختار یافته و سازمان‌یافته جمع‌آوری و ارائه می‌کنند.

اصل طراحی پوشش‌های ابزار ماشینکاری، تنظیم خواص مکانیکی آنها با کنترل ترکیب و ریزساختار آنها، بر اساس خواص مکانیکی مورد نظرشان، برای برآورده کردن نیازهای کاربردی خاص است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، انواع طرح‌های مختلف پوشش برای سناریوهای کاربردی مختلف در دسترس هستند.

انواع مختلفی از مشکلات را می‌توان با انتخاب انواع مختلف ساختارهای پوشش حل کرد، به عنوان مثال، استفاده از پوشش‌های چند لایه می‌تواند عملکرد ابزار را در مقایسه با پوشش‌های تک لایه به طور قابل توجهی بهبود بخشد. به عنوان مثال، پوشش‌های چند لایه مقاومت قابل توجهی بیشتری در برابر رشد ترک نسبت به پوشش‌های تک لایه دارند. علاوه بر این، افزایش تعداد لایه‌ها به بهبود خواصی مانند سختی سطح ابزار نیز کمک می‌کند. شکل 2 رفتار انتشار ترک سطحی ساختارهای مختلف پوشش را نشان می‌دهد.

این مقاله بر پوشش‌های جدید تمرکز دارد، پوشش‌های جمع‌آوری‌شده از منابع مختلف و خواص آنها را نشان می‌دهد و مکانیسم‌های سایش رایجی را که این پوشش‌ها در تراشکاری و فرزکاری آلیاژهای مختلف (از جمله فولاد، تیتانیوم و آلیاژهای پایه نیکل) شناسایی می‌شوند، نشان می‌دهد. تجزیه و تحلیل این مکانیسم‌های سایش، اطلاعات بسیار ارزشمندی را برای بهبود و بهینه‌سازی فرآیندهای ماشینکاری فراهم می‌کند. هنگام ماشینکاری انواع خاصی از آلیاژها با یک ابزار پوشش داده شده خاص، می‌توان آن را با روندهای سایش ابزار رایج شناسایی کرد. ارزیابی رفتار سایش سطح ابزار معمولاً توسط SEM مشخص می‌شود. همانطور که در شکل 3 در زیر نشان داده شده است، رفتار سایش فرزکاری با پوشش TiAlN را می‌توان پس از ماشینکاری آلیاژ اینکونل مشاهده کرد.

روند تحقیقات در مورد پوشش‌های مبتنی بر TiAlN عمدتاً بر اصلاح پوشش‌های مبتنی بر TiAlN با آلایش برخی عناصر مانند Ru، Mo و Ta در پوشش‌ها به دلیل پتانسیل بالای آنها برای بهبود خواص مکانیکی و سایشی متمرکز است. افزودن این عناصر همچنین بر ساختار پوشش تأثیر می‌گذارد و در نتیجه رفتار سرویس پوشش را بهبود می‌بخشد. سه پوشش TiAlN آلایش شده با محتوای روتنیم مختلف را می‌توان در شکل 4 مشاهده کرد و نتایج نشان می‌دهد که ساختار پوشش‌ها با افزایش محتوای روتنیم یکنواخت‌تر است. علاوه بر این، این مقاله خواص مکانیکی همه این پوشش‌ها را ارزیابی می‌کند و پوشش مبتنی بر TiAlN با محتوای روتنیم 7% بهترین خواص مکانیکی را نشان می‌دهد. تحقیق در مورد این عناصر آلایش محبوب است و پتانسیل زیادی برای بهبود عملکرد پوشش ابزار دارد. این مقاله جدیدترین و محبوب‌ترین عناصر آلایش را ارزیابی می‌کند و معیارهای ارزیابی رایج خواص مکانیکی این پوشش‌ها (مربوط به رفتار سایشی پوشش‌ها) مانند: سختی، چقرمگی، نسبت H/E (ویسکوزیته) و ضریب اصطکاک را شرح می‌دهد. این مقادیر همچنین برای ارزیابی نانوکامپوزیت‌های جدید و پوشش‌های مبتنی بر نانو TiAlN استفاده خواهند شد.

یکی دیگر از روندهای اصلی در تحقیقات پوشش TiAlN، ایجاد نانولایه‌ها و پوشش‌های ابزار نانوکامپوزیتی جدید است، زیرا پوشش‌های نازک‌تر می‌توانند عملکرد کاربرد در ماشینکاری را به طور قابل توجهی بهبود بخشند. این پوشش‌ها در فرآیندهای مختلف ماشینکاری برای افزایش خواص مکانیکی و بهبود ساختار و خواص پوشش، به ویژه خواص سایشی آن، نشان داده شده‌اند. در مورد مکانیسم سایش پوشش، این مطالعه نشان داد که مکانیسم‌های اصلی سایش در طول فرآیند فرزکاری، سایش چسبنده و سایش ساینده هستند، با این حال، استفاده از نانوپوشش می‌تواند آسیب چسبندگی وارده به پوشش را بهبود بخشد. پوشش‌های مورد استفاده در فرآیند تراشکاری معمولاً سایش ساینده و سایش را نشان می‌دهند و برخی از پوشش‌ها نیز سایش چسبنده را نشان می‌دهند. در فرزکاری، استفاده از پوشش‌های نانولایه و نانوکامپوزیتی عملکرد برش و عمر ابزار ابزارهای پوشش داده شده را بهبود می‌بخشد و این نوع پوشش‌ها از پوشش‌های تک لایه TiAlN معمولی بهتر عمل می‌کنند. مقادیر سختی و مدول یانگ پوشش‌های نانولایه و نانوکامپوزیتی TiAlN در جدول 1 ذکر شده است.