Свойства и механизмы изнашивания покрытий на основе TiAlN при механической обработке

Процесс механической обработки представляет большой интерес для исследования, поскольку это связанный процесс для производства высокоточных и высококачественных деталей для различных отраслей промышленности. Одним из направлений проводимых исследований является совершенствование технологических процессов, одним из которых является создание и нанесение инструментальных покрытий на различных операциях механической обработки. Эти покрытия повышают производительность процесса и срок службы обрабатывающих инструментов, и разрабатываются новые покрытия для использования в различных областях механической обработки. Благодаря удивительной износостойкости и высоким механическим свойствам покрытий TiAlN при высоких скоростях обработки, хорошей термической стабильности и коррозионной стойкости даже при более высоких температурах обработки покрытия TiAlN по-прежнему очень распространены в современных промышленных применениях. В этом обзоре авторы представляют всестороннее обсуждение использования покрытий на основе TiAlN, собирая и представляя последнюю информацию о разработке этих соответствующих покрытий в структурированном и организованном виде.

Принцип проектирования покрытий для механических инструментов заключается в настройке их механических свойств путем управления их составом и микроструктурой на основе их желаемых механических свойств, чтобы они могли соответствовать конкретным требованиям применения. Доступны различные конструкции покрытий для различных сценариев применения, как показано на рисунке 1.

Разные типы задач можно решать, выбирая различные типы структур покрытий, например, использование многослойных покрытий позволяет значительно повысить производительность инструмента по сравнению с однослойными покрытиями. Например, многослойные покрытия обладают значительно большей устойчивостью к росту трещин, чем однослойные покрытия. Кроме того, увеличение количества слоев также способствует улучшению таких свойств, как поверхностная твердость инструмента. На рис. 2 показано поведение поверхностных трещин при различных структурах покрытия.

Эта статья посвящена новым покрытиям, демонстрирует покрытия, полученные из различных источников, и их свойства, а также показывает общие механизмы износа, с помощью которых эти покрытия обнаруживаются при точении и фрезеровании различных сплавов (включая сталь, титан и сплавы на основе никеля). Анализ этих механизмов износа дает чрезвычайно ценную информацию для улучшения и оптимизации процессов механической обработки. При обработке определенных типов сплавов специальным инструментом с покрытием его можно определить по общим тенденциям износа инструмента. Оценка поведения поверхности инструмента при износе обычно характеризуется РЭМ. Как показано на рисунке 3 ниже, поведение фрезы с покрытием TiAlN при износе можно наблюдать после механической обработки сплава инконель.

Направление исследований покрытий на основе TiAlN в основном сосредоточено на модификации покрытий на основе TiAlN путем легирования некоторых элементов, таких как Ru, Mo и Ta, в покрытия из-за их большого потенциала для улучшения механических и износостойких свойств. Добавление этих элементов также влияет на структуру покрытия, тем самым улучшая эксплуатационные характеристики покрытия. На рис. 4 можно наблюдать три покрытия TiAlN с различным содержанием рутения, и результаты показывают, что структура покрытий становится более однородной с увеличением содержания рутения. Кроме того, в данной статье оцениваются механические свойства всех этих покрытий, и покрытие на основе TiAlN с содержанием рутения 7% демонстрирует наилучшие механические свойства. Исследования этих легирующих элементов популярны и имеют большой потенциал для улучшения характеристик покрытия инструментов. В статье оцениваются новейшие и наиболее популярные легирующие элементы и описываются общие показатели оценки механических свойств этих покрытий (связанные с поведением покрытий при износе), такие как: твердость, ударная вязкость, отношение H/E (вязкость) и трение. коэффициент . Эти значения также будут использоваться для оценки новых нанокомпозитов и покрытий на основе нано-TiAlN.

Еще одной важной тенденцией в исследованиях покрытий TiAlN является создание новых нанослоев и нанокомпозитных покрытий для инструментов, поскольку более тонкие покрытия могут значительно улучшить эксплуатационные характеристики при механической обработке. Было продемонстрировано, что в различных процессах механической обработки эти покрытия улучшают механические свойства и улучшают структуру и свойства покрытия, особенно его износостойкость. Что касается механизма износа покрытия, исследование показало, что основными механизмами износа в процессе фрезерования являются адгезионный износ и абразивный износ, однако использование нанопокрытия может улучшить адгезионное повреждение покрытия. Покрытия, используемые в процессе токарной обработки, обычно подвержены абразивному износу и истиранию, а некоторые покрытия также проявляют адгезионный износ. При фрезеровании использование нанослойных и нанокомпозитных покрытий улучшает режущие характеристики и срок службы инструментов с покрытием, и эти типы покрытий превосходят обычные однослойные покрытия на основе TiAlN. Значения твердости и модуля Юнга нанослоистых и нанокомпозитных покрытий на основе TiAlN приведены в табл. 1.