Лекция Cтана Вепрека (Мюнхенский технический университет, Германия)

"Промышленное применение твердых и сверхтвердых нанокомпозитных покрытий на инструментах для механической обработки"

Твердые и сверхтвердые нанокомпозиты nc-TmN/Si3N4 (TmN = нитрид переходного металла, такой как TiN, VN, (Ti1-xAlx)N, (Cr1-xAlx)N и др.) [1] заслужили большое внимание в качестве защитных покрытий на инструментах для механической обработки (сверления, фрезерования, токарной обработки), штамповки, чеканки, литья под давлением алюминиевых сплавов и т.п. [2] Будет описано современное состояние в данной области и приведены примеры промышленного применения. Будут рассмотрены не только преимущества по сравнению с обычными твердыми покрытиями, но и ограничения в отношении нанесения этих покрытий методами физического осаждения из паровой фазы (вакуумно-дуговое испарение и ионное напыление) на инструменты, а также в отношении совместимости с материалом подложки и усталости этих покрытий. Особое внимание будет уделено воспроизводимости очень высокой твердости, что часто отсутствует в других группах, главным образом из-за несоответствующих условий осаждения и неподходящего выбора системы Tm-Si-N (Tm – переходной металл) [3].

Далее будут рассмотрены проблемы крупномасштабного промышленного производства с помощью методов физического осаждения из паровой фазы, вопросы снижения твердости и прочности из-за примесей, роль температуры осаждения и давления азота, а также совместимость с материалом подложки. Будет показано, что существующие в настоящее время нанокомпозиты с низким содержанием примесей около 0,1 ат. % обеспечивают значительно лучшие характеристики резки, более длительный срок службы инструмента с покрытием, повышенную скорость резки и общую производительность по сравнению с обычными покрытиями. Однако необходимо дальнейшее сокращение примесей в 3–4 раза до нескольких 100 ppm, прежде чем можно будет полностью использовать их преимущества применительно к инструментам, изготовленным из быстрорежущей стали [4]. Нелинейное моделирование методом конечных элементов показывает важность тщательного проектирования многослойных покрытий, сочетающих сверхтвердые нанокомпозиты с более мягкими, но более пластичными, отличающимися по составу промежуточными слоями.

В заключение, будет вкратце представлена разработанная недавно новая магнетронная система напыления, в которой используются вращающиеся цилиндрические катоды, работающие под очень большим током, обеспечивающие высокие скорости осаждения и рассеивающую способность (превышающие аналогичные параметры вакуумно-дугового распыления в 2–3 раза, а параметры обычных систем напыления – на порядок величины), и покрытия с высокой плотностью, в которых  практически отсутствует столбчатая структура [5].

Литература:

[1] S. Veprek, Invited Review, J. Vac. Sci. Technol. A 31 (2013) 050822.

[2] S. Veprek and M.G.J. Veprek-Heijman, Surf. Coat. Technol. 202 (2008) 5063.

[3] S. Veprek and M.G.J. Veprek-Heijman, Thin Solid Films 522 (2012) 274.

[4] S. Veprek, P. Holubar and M.G.J. Veprek-Heijman, in: Ceramic Science and Technology, Vol. 4, edited by R. Riedel and I.-W. Chen, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, Germany, 2013.

[5] M. Jilek Jr. M. Jílek, F.Mendez Martin, P.H.Mayrhofer and S. Veprek, Thin Solid Films 556 (2014) 361.