ИОФ РАН
Износ режущего инструмента на основе карбида вольфрама с алмазоподобными и микро/нано поликристаллическими алмазными покрытиями при обработке композиционного сплава Al/SiC
Пресс-релиз публикации: Ashkinazi, E.E., Fedorov, S.V., Martyanov, A.K., Sedov, V.S., Khmelnitsky, R.A., Ralchenko, V.G., Ryzhkov, S.G., Khomich, A.A., Mosyanov, M.A., Grigoriev, S.N. and Konov, V.I., 2023. Wear of Carbide Plates with Diamond-like and Micro-Nano Polycrystalline Diamond Coatings during Interrupted Cutting of Composite Alloy Al/SiC. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 7(6), p.224. DOI: 10.3390/jmmp7060224
Авторским коллективом из ИОФ РАН увеличена эффективность применения инструмента из сплава WC+Co при прерывистом фрезеровании металло-матричного композита (ММК) на основе силумина с 18% SiC (А-390). Данный ММК благодаря своей высокой удельной прочности активно используется в аэрокосмических конструкциях. Найдено рациональное сочетание условий предварительной подготовки и осаждения мультислойных микро/нано-кристаллических алмазных плёнок в СВЧ плазме с использованием газовой смеси метан-водород-азот для обеспечения оптимального сочетания свойств поверхности, участвующей в контактном взаимодействии, и режимами работы режущего инструмента.
Прямое осаждение алмазной пленки на пластины WC+Co затруднено каталитическим действием Co на алмаз, способствующим образованию графита и снижению прочности сцепления. В работе продемонстрировано гибкое применение метода Мураками и Каро для химического травления кобальта в подложках WC+Co (CoroMill200) перед нанесением алмазного покрытия. Последующее магнетронное нанесение барьерного слоя из вольфрама (толщиной 600 нм) с предварительной ионной обработкой на границе между подложкой и покрытием предотвратило нежелательное взаимодействие углерода и кобальта и позволило снизить остаточные термические напряжения за счет практически одинаковых коэффициентов теплового расширения карбида вольфрама и твердого сплава.
Ключевым отличием данной работы от результатов других мировых научных групп-конкурентов является значительное увеличение износостойкости инструмента. Экспериментально получены зависимости величины износа режущей пластины CoroMill200 от длины резания L (Рис. 1, Рис. 2), карты EDS и REM показали классический характер изнашивания, включая зоны приработки, установившегося и критического износа. Для инструментов без покрытия время обработки до достижения режущей кромкой критического значения износа составило Т = 400 с при скорости резания 800 м/мин, что соответствует длине резания L = 8,5 м; эффект для алмазоподобных пластин с покрытием ncATiCrN/Si3N4 + DLC увеличился в два раза (Т = 800 с, L = 17 м), а для пластин с мультислойным CVD алмазным покрытием увеличился в четыре раза при достижении критерия износа (Т = 1600 с, L = 34 м). Установлено, что для инструмента с CVD алмазным покрытием характерен механизм абразивного износа, в то время как механизм мягкого истирания, характерный для твердосплавных и алмазоподобных покрытий, сопровождаемый выдавливанием кобальтовой связки, полностью подавлен. Анализ распределения углерода по поверхности изношенных образцов показал 12-ти кратное увеличение площади, сохранившейся после испытаний CVD алмазной пленки, по сравнению с аналогичной площадью для алмазоподобной плёнки.
Пресс-релиз подготовил: старший научный сотрудник научного центра естественно-научных исследований ИОФ РАН, кандидат физико-математических наук В.С. Седов.
Рис. 1. Фотографии резцов с критическим износом. (Источник: Ashkinazi, E.E., Fedorov, S.V., Martyanov, A.K., Sedov, V.S., Khmelnitsky, R.A., Ralchenko, V.G., Ryzhkov, S.G., Khomich, A.A., Mosyanov, M.A., Grigoriev, S.N. and Konov, V.I., 2023. Wear of Carbide Plates with Diamond-like and Micro-Nano Polycrystalline Diamond Coatings during Interrupted Cutting of Composite Alloy Al/SiC. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 7(6), p.224. DOI: 10.3390/jmmp7060224)
Рис. 2. Сравнение износостойкости инструмента. (Источник: Ashkinazi, E.E., Fedorov, S.V., Martyanov, A.K., Sedov, V.S., Khmelnitsky, R.A., Ralchenko, V.G., Ryzhkov, S.G., Khomich, A.A., Mosyanov, M.A., Grigoriev, S.N. and Konov, V.I., 2023. Wear of Carbide Plates with Diamond-like and Micro-Nano Polycrystalline Diamond Coatings during Interrupted Cutting of Composite Alloy Al/SiC. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 7(6), p.224. DOI: 10.3390/jmmp7060224)