Фрикционные свойства композиции покрытие - инструментальный материал

Трение на контактных площадках передней и задней поверхностей инструмента является чрезвычайно сложным, стохастичным процессом, который во многом определяется кристаллохимическим строением материалов пары трения.

Известно, что интенсивность схватывания резко возрастает при трении металлов, имеющих аналогичное строение кристаллов. Например, для пары одноименных металлов с простой кубической решеткой сила трения возрастает и снижается при трении металлов с разным строением кристаллической решетки или металлов, имеющих гексагональную кристаллическую структуру.

Б. И. Костецкий рассматривает процесс схватывания при тре­нии кристаллических тел, имеющих несовершенное кристалличе­ское строение, как диффузионный процесс с образованием метал­лических связей в местах фактического контакта контактирую­щих металлов. Согласно гипотезе, выдвинутой А. П. Семеновым, для возник­новения схватывания между металлами кроме контакта чистых поверхностей металла необходимо достижение поверхностными атомами определенного для данного металла энергетического со­стояния (энергетический порог схватывания). При температуре, меньшей температурного порога рекристаллизации, схватывание является единственным механизмом получения прочного соедине­ния между поверхностями, находящимися в контакте. При тем­пературе большей порога рекристаллизации процесс схватывания сопровождается диффузией, роль которой усиливается с повы­шением температуры и длительности контакта под давле­нием.

С учетом идентичности законов трения и адгезии наиболее простым и надежным методом оценки склонности к схватыванию инструментального и обрабаты­ваемого материалов является кинетическая сила трения F_K.

Установлены следую­щие обобщенные закономерности.

Статистическое значение силы трения F_K, ампли­туда Ар и частота v_f ее колебаний практически не зависят от типа и свойств инструментального материала, а опре­деляются составом и свойствами покрытия. В частности, значе­ния параметров F_K, А_р, v_f определяются не только составом покрытия, но и его структурой, микрорельефом поверхности. Например, у образцов из ВК6-TiC ДТ, имеющих большую шероховатость, дефектность кристаллического строения, макси­мальные значения параметров F_K, A_F, v_f. Суще­ственное снижение характеристик трения обеспечивают образцы с покрытиями, нанесенными ме­тодом КИБ, которые имеют по­верхностную структуру сгла­женных, плотно-упакованных кристаллов, а также образцы с композиционными покрытиями TiC-TiCN-TiN с мелкозернистой поверхностной структурой и меньшей шероховатостью, чем у образцов с покрытиями TiC, получаемыми методами ДТ и ГТ.

Нанесение покрытий на инструментальные материалы позво­ляет значительно снизить силу трения, причем этот эффект усили­вается как для наиболее термодинамически устойчивых покрытий в виде оксидов некоторых металлов, так и для покрытий, имеющих гетерофазные структуры и склонных к диссоциации при температуре, соответствующей температуре эксперимента (600-700°С). В частности, наибольшее снижение силы Р наблюдали для покрытий А1₂О₃, а также нитридов тугоплавких металлов VI груп­пы (MoN, CrN).

Зависимость кинетической силы трения от температуры носит экстремальный характер при трении образцов из инструменталь­ных материалов с покрытием по конструкционным сталям, что можно интерпретировать следующим образом. Интенсивность схватывания определяется числом активных цен­тров N_T, образующихся на единице площади контакта, и факти­ческой площадью контакта F, которая зависит от размера микро­неровностей, модуля упругости контактируемых пар трения, нормального напряжения, энергии термической активации, ча­стоты собственных колебаний валентных атомов и т. д.

С ростом температуры увеличивается частота собственных колебаний валентных атомов, растет пластичность материала и снижается его сопротивляемость пластическому деформированию, что приводит к увеличению активных центров и площади факти­ческого контакта. Кроме того, рост температуры инициирует процессы разрушения адсорбционных пленок, что способствует образованию химически чистых («ювенильных») поверхностей. Это является необходимым условием схватывания. Описанные процессы увеличивают интенсивность трения с ростом темпера­туры. Однако дальнейшее увеличение температуры приводит как к разупрочнению «узлов» схватывания, так и сильному окислению трущихся поверхностей. Это вызывает снижение силы трения при дальнейшем росте температуры.

Сила трения F_K, ее амплитуда A_F и частота v_f могут служить критериями аттестации состава и свойств покрытия в паре трения. На основании аттестации покрытий по F_K, A_F и v_f можно отме­тить, что для конструкционных сталей максимальное снижение склонности к схватыванию с быстрорежущей сталью и твердыми сплавами обеспечивают покрытия TiC-A1₂O₃ (композиционное), TiC-TiCN-TiN (много-компонентное), получаемые методом хими­ческого осаждения покрытий, а также (Zr-Ti-Сг) N и (Nb-Zr)N (многоэлементные). Для жаропрочных сплавов на железохромоникелевой основе максимальное снижение параметров F_v, A_F, v_f в парах трения обеспечивают покрытия (Nb-Zr)N и (Ti-Hf-Cr)N (многоэлементные).

В связи с большим различием условий контактирования при трении скольжения и трении при реальном резании, особенно когда формируется нарост, не может быть полной аналогии ре­зультатов, полученных при моделировании и в условиях реального процесса резания. Однако, при необходимости аттестации большого числа покрытий различных типов с целью оптимизации состава и условий их получения использование методики их оценки по силе трения Р_к может) дать вполне удовлетворительные резуль­таты.