УралТехноСтрой
E-mail: 007@utse.ru

Повышение ресурса работы штампов, пресс-форм и экструзионного инструменте за счет нанесения многослойных композиционных PVD покрытий

Григорьев Сергей Валерьевич,
канд.техн.наук, зав.отделом технологии износостойких покрытий
ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ», Москва

Снижение себестоимости выпускаемой продукции является важным элементом в конкурентной борьбе на рынке.

Как показывает экономический анализ, весомую долю в себестоимости выпускаемой продукции занимает инструмент и технологическая оснастка. Поэтому повышение ресурса их работы снижает затраты на приобретение или ремонт и является актуальной технологической задачей.

Наиболее эффективным методом решения данной задачи является нанесение на формообразующие поверхности инструмента и оснастки износостойких покрытий.

Из множества способов осаждения тонких пленок можно выделить две основные группы - химическое парофазное осаждение (CVD) и физическое парофазное осаждение (PVD). Процессы CVD обычно высокотемпературные (>500оС) и не подходят для упрочнения штампов. Методы PVD отличаются широким разнообразием, однако среди них наиболее привлекательными, с точки зрения получения покрытий с высокой степенью адгезии, представляются технологии, основанные на ионной бомбардировке в сочетании с катодным испарением. Срок службы инструмента с покрытием в 3-5 раз выше, чем без покрытия.

Для вырубного инструмента требуются толстые (до 20 мкм) покрытия. Здесь необходимо формировать многослойную структуру покрытия, состоящую из чередующихся твердых нитридных слоев (0,5-1,5 мкм) и слоев (2-З мкм) чистого катодного металла (Ti, Zr, Cr и т.д.). Такой подход позволяет конструировать пленочные покрытия, препятствующие развитию микротрещин, вызванных жесткими условиями работы.

При чеканке одним из основных требовании является качество формируемого рельефа. Яркий пример этого - чеканка монет, где четкость изображения является элементом защиты денег от подделки. Для такого инструмента требуются покрытия толщиной 1-2,5 мкм. Долгое время не удавалось получить требуемые эксплуатационные характеристики на столь тонких пленках. Только с последующим развитием PVD-технологий удалось получить решение этой задачи, в основе которой лежит осаждение покрытия и сепарированной плазмы, позволяющей получать ультрамелкодиспорсную и наноградиентную структуру покрытия.

Экструзионный инструмент подвержен истиранию. Поэтому покрытия должны обладать низким коэффициентом трения, хорошо сопротивляться износу oт истирания и не ухудшать шероховатость рабочих поверхностей.

Износостойкие покрытия на режущем инструменте используются давно, в основном это нитрид титана (TiN). Такое покрытие в 2,5-3 раза повышает стойкость режущего инструмента. Сейчас появились покрытия семейства TiAIN, TiCN и другие специальные покрытия, которые постепенно будут сменяться градиентными, ультрамелкодисперсными, нанокомпозитными и наноградиентными покрытиями.

Интенсивный рост применения TiAIN, (TiAI)N и (AITi)N обусловлен сочетанием высокой температурной стойкости и износостойкости, что делает свойства покрытий уникальными, хотя частично сохраняются недостатки устаревших технологий нанесения покрытий: пористость и наличие капельной фазы непрореагировавшего металла катода.

Мелкодисперсные и нанопокрытия имеют более плотную структуру, при этом практически отсутствуют капли непрореагировавшего материала катода (бескапельное покрытие). Для этих покрытий характерна высокая твердость при достаточно хорошей пластичности, низкие значения коэффициента трения, высокая степень адгезии к подложке. В основе технологии мелкодисперсных и нанопокрытий лежат более современные технологии генерации плазменного потока.

Часто такие покрытия в своем названии имеют приставку м: мTiN, мZrN, мTiAIN.

К примеру, инструмент с нитридом титана, нанесенным по разным технологиям (TiN и мTiN), имеют различные показатели стойкости, к тому же мелкодисперсное покрытие имеет лучшие физико-механические свойства и позволяет применять покрытия толщиной 1,5-2,5 мкм против традиционных 5-6 мкм.

По нашей разработке технологии электродугового напыления с сепарацией плазменного потока (патент РФ № 217911) возможно получать покрытия, в том числе многослойные композиционные наноградиентные (рис.1, рис.2).

Электродуговой испаритель
Сепаратор
Электродуговой испаритель,  Сепаратор
Покрытие с испарителя
Покрытие с сепаратора
Покрытие с испарителя
Покрытие с сепаратора

Рис.1. Схема установки для электродугового напыления с сепарированием плазменного потока

PVD установка для нанесения наноградиентных покрытий
Рис.2. PVD установка для нанесения наноградиентных покрытий (производство «ВНИИИНСТРУМЕНТ»)

Эксплуатационные характеристики формообразующего инструмента определяются сочетанием свойств инструментального материала и износостойкости покрытия. В качестве примера приведены свойства износостойких покрытий, полученных по технологии генерации плазменного потока (см. таблицу)

Характеристика

Покрытия

μTiN

μpTiCN

μCrN

μTiAlN

μTiAlZrN

CDA

Микротвердость HV

+300
2700
-100

+300
3100
-300

+300
2400
-200

+400
3200
-200

+400
3400
-300

+500
5200
-500

Температура окисления оС

+50
570
-50

+50
450
-50

+50
600
-50

+50
850
-50

+50
820
-50

+50
400
-50

Коэффициент трения

0,55-0,65

0,4-0,5

0,2-0,35

0,45-0,55

0,5-0,6

0,06-0,1

Цвет

Золотисто-
желтый

Красно-
коричневый

Серебрист.
антроцид

Фиолетовый

Светло
соломенный

Антрацитовый

Значительное повышение ресурса работы штампа с помощью нанесения сепарированного плазменного потока снижает время, необходимое на повторную очистку, время простоя и трудовые затраты на очистку.
Применение сепарации для нанесения покрытий на монетные штампы, например, позволяет в 3 раза увеличить срок службы штампов по сравнению со стандартными хромированными штампами.

Применение нитридных многослойных покрытий на экструзионном инструменте позволяет увеличить ресурс работы до 700 000 пог.км.
Потребность в защитных и упрочняющих поверхностных покрытиях деталей и инструмента постоянно возрастает. Наиболее востребованы: износостойкие покрытия на инструменте, защитные коррозионностойкие, химически стойкие, жаростойкие и антифрикционные. Область применения таких покрытий разнообразна: от авиа- и машиностроения до пищевой промышленности.

Следует отметить, что при обработке штампов и форм используются концевые конические фрезы. Притупление их режущих кромок приводит к ухудшению качества обработанной поверхности. Эффективным методом увеличения износостойкости концевых фрез является нанесение титан-алюминевого нитридного покрытия.

Литература.
1. Додонов А.И., Башков В.М. Новый метод нанесения ультрамелкодисперсных износостойких покрытий из сепарированной плазмы. ИТО. № 4. 1998.
2. Додонов А.И., Башков В.М. Электродуговой испаритель с сепарацией плазменного потока. Международная заявка PCT/R497/ 00106.
3. Aksenov. Transport of plasma streams in a curvilinear plasma -optics system. SOV 4no 41978.

Здесь Вы можете получить подробные технические рекомендации по выбору товара