Как PVD-покрытия увеличивают срок службы инструмента в 8 раз

Современные технологии металлообработки требуют от режущего инструмента высокой износостойкости и долговечности, особенно в условиях экстремальных механических и термических нагрузок. Быстрое истирание, деформация и коррозия рабочей поверхности инструмента негативно сказываются на качестве обработки и увеличивают производственные затраты. В этой связи актуальной становится задача повышения износостойкости посредством поверхностного упрочнения. Одним из эффективных методов является нанесение покрытий методом физического осаждения из паровой фазы (PVD), позволяющего создать тонкое, но крайне прочное защитное покрытие.

Что значит PVD покрытие?

PVD (Physical Vapor Deposition) – это технология, нанесения покрытия осуществляемая в камере низкого давления из металла и реактивного газа. Базовый материал для формирования - металл или сплав, чаще всего в форме диска называют катод или, чаще, мишень. Материал мишени с помощью некоторых физических процессов испаряется, переносится на поверхность изделия, инструмента или компонента электрическим полем, захватывая по пути ионы реактивного газа и осаждается на поверхности, формируя очень твердое и износостойкое покрытие, состоящее из нитрида, карбида или оксида металлов.

Физические способы испарения материала могут быть разными, чаще всего применяются следующие

• Дуговое испарение – использование микроскопических электрических дуг, перемещающихся по поверхности с высокой скоростью и испаряющих материал катода;
• Магнетронное распыление – испарение материала путем интенсивной ионной бомбардировки.

Каждый из этих методов имеет свои преимущества: например, магнетронное распыление позволяет достичь высокой однородности, а дуговое испарение – быстроту формирования.

Влияние PVD на износостойкость

Применение PVD на режущих инструментах, таких как сверла и фрезы, позволяет значительно увеличить срок их службы. PVD покрытие инструмента демонстрирует более высокую поверхностную твердость, что снижает скорость абразивного износа. Инструменты с покрытием или TiAlN, AlCrN или другими сохраняют остроту режущей кромки и стабильно работают при обработке стали и сплавов, в то время как инструменты без него - изнашиваются значительно быстрее.

При одинаковых режимах резания износ инструментов без покрытия может быть в разы и даже кратно выше, чем с ними. За счёт снижения трения и уменьшения тепловых потоков PVD способствует снижению термомеханических напряжений на режущей кромке. Так что на современных высокоточных станках с ЧПУ инструмент без покрытия практически не применяется

Преимущества PVD в экстремальных условиях

Одним из ключевых достоинств PVD покрытия является высокая устойчивость к экстремальным температурам и механическим нагрузкам. Благодаря минимальной толщине (обычно от 0,5 до 5 мкм) и прочной адгезии к основе, покрытие эффективно защищает режущий инструмент от:

• Высоких температур: Покрытия сохраняют свои свойства при температурах, благодаря термической стабильности, красностойкости и устойчивости покрытия к окислению.
• Механических нагрузок: Высокая микротвердость покрытия уменьшает контактную площадь и снижает силу трения, что предотвращает раннее разрушение режущей кромки. Покрытие сохраняет остроту режущей кромки, благодаря чему сохраняются оптимальные параметры шероховатости и точности обрабатываемой детали, снижение усилия резания влияющие на потребление электроэнергии и долговечности оборудования.
• Химического воздействия: Защитный слой препятствует коррозии и агрессивному химическому взаимодействию с обрабатываемым материалом.

Эти характеристики делают PVD особенно ценными для применения в разных отраслях, где эксплуатационные условия являются крайне суровыми.

Примеры успешного применения

Применение PVD-покрытий, таких как TiAlN и AlCrN, значительно повышает износостойкость режущего инструмента, что особенно заметно в условиях высоких нагрузок и температур. Согласно результатам испытаний, использование покрытия TiAlN позволяет увеличить ресурс инструмента на 800% по сравнению с инструментом без покрытия, обеспечивая при этом снижение износа по глубине (S) на 0,42 мм/об и скорости резания (Vc) на 250 м/мин. В то же время AlCrN демонстрирует увеличение ресурса на 100%, с износом по глубине (S) 0,5 мм и снижением износа по задней поверхности (ap) на 10 мм, что также подтверждает его эффективность.

Для обработки стали с твердостью 25HRC покрытие TiAlN показывает выдающиеся результаты, обеспечивая высокую стойкость инструмента даже при экстремальных условиях. В случае обработки стали 4Х5МФС (45HRC) AlCrN демонстрирует стабильные показатели, увеличивая срок службы инструмента и снижая износ. Оба покрытия, нанесенные методом PVD, обеспечивают защиту от абразивного износа и высоких температур, что делает их перспективными для применения в таких отраслях, как энергетика и автомобилестроение.

Результаты испытаний подтверждают, что технология PVD-покрытий позволяет значительно повысить долговечность режущего инструмента. В будущем дальнейшие исследования и оптимизация состава, таких как TiAlN и AlCrN, могут ещё больше усилить их износостойкость, открывая новые возможности для применения в условиях экстремальных нагрузок.