Charakterystyka ogolna warstw azotku tytanu (TiN)

l. Charakterystyka ogólna
za
li
1.1. Dlaczego stosuje siĊ cienkie warstwy TiN?
n
I Warstwy azotku tytanu,
os
Cienkie warstwy azotku tytanu (gruboĞü: 0,5 µm µm) naáoĪone
na powierzchniĊ narzĊdzi i czĊĞci maszyn zwiĊkszają ich odpornoĞü na zuĪycie. W rezultacie, zwiĊksza siĊ czas uĪytkowania narzĊdzi, ich ĪywotnoĞü, i
to od kilku do kilkunastu razy. Tak, najogólniej, moĪna odpowiedzieü na
postawione wyĪej pytanie.
Obecne warunki produkcyjne narzucają na stosowane narzĊdzia kilka ĪądaĔ, których speánienie jest niezbĊdne dla utrzymania siĊ w nurcie
postĊpu technicznego. Są to mianowicie:
VT
TK
• moĪliwoĞü wzrostu szybkoĞci obróbki,
• moĪliwoĞü obróbki nowych, trudnoobrabialnych materiaáów,
moĪliwoĞü pracy narzĊdzia w automatycznych centrach obróbczych,
Zzespóá z wieloma innymi narzĊdziami - pociąga to za sobą koniecznoĞü
wzrostu trwaáoĞci, ĪywotnoĞci i niezawodnoĞci narzĊdzi.
n
Warunki te mogą byü speánione poprzez:
za
li
• wytwarzanie nowych, doskonalszych materiaáów do konstrukcji narzĊdzi,
• wykorzystanie moĪliwoĞci ksztaátowania wáaĞciwoĞci powierzchniowych
pod kątem wzrostu ĪywotnoĞci narzĊdzi,
• wáaĞciwy wybór geometrii czĊĞci roboczych narzĊdzi (ostrzenie)
• stosowanie odpowiednich Ğrodków cháodzących i smarujących.
Wspóáczesne materiaáy narzĊdziowe dzieli siĊ na cztery grupy:
•
•
•
•
stale szybkotnące (konwencjonalne i spiekane),
wĊgliki spiekane,
ceramikĊ narzĊdziową,
polikrystaliczne, supertwarde materiaáy narzĊdziowe.
Tabele 1.1 i 1.2 przedstawiają wybrane stale szybkotnące.
VT
TK
os
Tabela 1.1. Typowy skáad chemiczny wybranych spiekanych stali szybkotnących.
os
za
li
n
Tabela 1.2. Skáad chemiczny oraz twardoĞü po obróbce cieplnej krajowych
stall szybkotnących
* dla wszystkich stali zawartoĞü skáadników wynosi:
VT
TK
- Mn (max):0,4;
- Si (max): 0,5;
- P (max): 0,03;
-S (max): 0,03;
-Cr: 3,5÷4,5
** oĞrodek cháodzący - olej.
VT
TK
os
za
li
n
Wytwarzanie nowych, doskonalszych materiaáów do konstrukcji narzĊdzi związane jest z ciągáym poszukiwaniem, wewnątrz wymienionych wyĪej
grup materiaáowych, nowych skáadników, pierwiastków stopowych, opracowywaniu wáaĞciwych procedur obróbki cieplnej itd.
JeĞli chodzi o drugi z warunków, to dobrym przykáadem są cienkie
warstwy TiN nanoszone na czĊĞci robocze powierzchni narzĊdzi. Od dawna
byáo wiadomo, Īe azotki i
wĊgliki metali posiadają wybitną odpornoĞü na zuĪycie
oraz Īe charakteryzują siĊ dobrymi wáaĞciwoĞciami trybologicznymi. Na przeszkodzie
w ich wykorzystaniu w litej formie stoją, pomijając cenĊ, duĪa kruchoĞü i
áamliwoĞü. Znalazáy one jednak zastosowanie w innej postaci, mianowicie
jako skáadniki proszkowe w grupie narzĊdziowej wĊglików spiekanych.
Wykorzystanie walorów azotków i wĊglików metali przejĞciowych,
nie w postaci proszkowej, lecz w formie struktury ciągáej, staáo siĊ moĪliwe
dziĊki opracowaniu technologii nanoszenia ich jako cienkich warstw na materiaáy narzĊdziowe.
Pierwszym związkiem, który otrzymano w tej postaci byá TiN. On teĪ
zapoczątkowaá, pod koniec lat siedemdziesiątych, prawdziwy przewrót na
rynku narzĊdziowym.
Podstawowe cechy warstw azotku tytanu, które zdecydowaáy o jego
sukcesie to:
• bardzo duĪa twardoĞü,
• odpornoĞü na Ğcieranie,
• odpornoĞü na korozjĊ,
• maáy wspóáczynnik tarcia,
• gorsze od stali przewodnictwo cieplne,
• záoty kolor,
• niewielka gruboĞü (stosuj e siĊ warstwy o gruboĞciach w zakresie od kilkudziesiĊtnych czĊĞci mikrometra do kilku mikrometrów, co nie stwarza
zwykle problemów w tolerancji wymiarów).
Nie bez znaczenia są równieĪ wáaĞciwoĞci chemiczne TiN:
• proces utleniania staje siĊ widoczny po godzinie jeĞli, warstwa znajduje
siĊ w atmosferze silnie utleniającej w temperaturze 550°C,
• nie reaguje z H2, N2, CO,
• jest obojĊtny wobec HC1, HNO3, H2SO4
n
Jednak warstwy TiN:
• rozkáadają siĊ w wrzących roztworach alkalicznych,
• NO oraz O2 dziaáają na nie szybko utleniająco w temperaturach wyĪszych od 1200°C.
VT
TK
os
za
li
Pokrycia warstwami TiN wykorzystuje siĊ gáównie w takich sytuacjach
gdzie istniej ą problemy z:
• tarciem,
• erozją,
• korozją,
• zuĪyciem Ğciernym i adhezyjnym.
PodkreĞlamy takĪe znaczenie warstw TiN jako pokryü dekoracyjnych.
WeĨmy, jako przykáad, zastosowania warstw TiN do narzĊdzi skrawających. Warstwa TiN naáoĪona na ostrza narzĊdzi skrawających speánia
nastĊpujące role:
• redukuje siáy tarcia prowadząc do lepszego przepáywu wióra,
• zmniejsza zjawisko przypawania obrabianego materiaáu (narosty) do ostrza,
• zmniejsza zuĪycie kraterowe ostrza,
• osáabia mechanizmy mikropĊkniĊü ostrza,
• dziaáa jako bariera cieplna, której zadaniem jest odprowadzanie ciepáa,
wytworzonego w trakcie obróbki, do wióra - chroni zatem ostrze przed
przegrzaniem, a w konsekwencji przed odpuszczeniem.
Dla wyrobienia sobie opinii na temat korzystnego wpáywu wyĪej
wymienionych wáasnoĞci warstw TiN na proces skrawania niech sáuĪą pomocą rysunki 1.1, 1.2, 1.3 i 1.4. Wystarczy rozwaĪyü dwie sytuacje: ostrze
niepokryte i ostrze pokryte warstwą TiN oraz porównaü mechanizmy zuĪycia w tych przypadkach z uwzglĊdnieniem walorów TiN.
n
za
li
TK
os
Rys. 1.1. Ostrze narzĊdzia skrawającego oraz opis procesu jego zuĪycia.
VT
Rys. 1.2. Geometryczne wskaĨniki zuĪycia ostrza noĪa tokarskiego (oznaczenie
wg ISO): KT - gáĊbokoĞü maksymalna wyĪáobienia powierzchni
natarcia, KM - odlegáoĞü najniĪej poáoĪonego punktu wyĪáobienia od
krawĊdzi skrawającej, KB - szerokoĞü wyĪáobienia powierzchni
natarcia, KE - skrócenie ostrza, VB - szerokoĞü pasma zuĪycia
powierzchni przyáoĪenia przy naroĪu, VN - maksymalna szerokoĞü
pasma zuĪycia powierzchni przyáoĪenia.
n
za
li
os
TK
Rys. 13. Rozkáad temperatury na ostrzu noĪa podczas toczenia:
1 - stall 45 ostrzem z wĊglika spiekanego S10,
2 - stall áoĪyskowej ostrzem z wĊglika spiekanego S20,
3 - stopu WT2 ostrzem z wĊglika spiekanego H3)
ostrze
narzĊdzi
wiór
strefy
wydzielania
ciepáa
siáy Ğciskające
materiaá obrabiany
VT
Rys. 1.4. Proces skrawania
os
za
li
Ostatni z rezultatów ilustruje rysunek 1.5.
n
W wyniku pokrycia warstwą TiN otrzymujemy
• wzrost trwaáoĞci narzĊdzia,
• moĪliwoĞü szybszego skrawania,
• lepszą jakoĞü obrabianych powierzchni.
VT
TK
Rys. 1.5. Profilogramy ilustrujące chropowatoĞü otworów wierconych
wiertáem standardowym i pokrytym TiN;
a) pierwszy otwór wiercony wiertáem standardowym,
b) pierwsy otwór wiercony wiertáem pokrytym TiN,
c) setny otwór wiercony wiertáem pokrytym TiN.