CVD покрытие

Первые износостойкие покрытия были получены путем химического процесса осаждения при высоких температурах 950…1050 °С из парогазовой среды. Этот процесс сокращенно называется CVD. Следует отметить, что данная технология широко применяется не только для нанесения износостойких покрытий на режущем инструменте, но и в других областях техники, где требуется получение слоев покрытия и пленок из кристаллических материалов с высокой чистотой и заданной структурой. Процесс CVD для нанесения покрытий на режущий инструмент, был впервые применен компанией «Sandvik Coromant» (Швеция), далее к ней присоединились, компании «Hertel» (Германия), «Kennametal Hertel» (США), «Walter» (Германия) и ряд других зарубежных производителей инструмента.

Для улучшения свойств режущего инструмента наибольший интерес представляют покрытия с кристаллической структурой из химически инертных и тугоплавких соединений, таких как карбид титана, нитрид титана, оксид алюминия.

Первые износостойкие CVD покрытия были однослойными с толщиной порядка 4…7 мкм.

Довольно простое, по сегодняшним меркам, однослойное покрытие TiC, применявшееся на первых покрытых сменных неперетачиваемых пластинах, обеспечило эффект в повышении производительности обработки примерно на 50%. Повышение производительности было достигнуто в основном за счет увеличения скоростей резания.

Успешное применение первых износостойких CVD покрытий обеспечило их широкое распространение в промышленности. Одновременно выявились существенные ограничения использования инструмента с покрытиями. Наибольшие проблемы были вызваны недостаточной адгезией CVD покрытий, а также их негативным влиянием на механические свойства основы. Уровень этого влияния можно пояснить на простом примере: если на твердосплавную пластину из обычного сплава с областью применения ISO Р30 (умеренная черновая обработка) нанести простейшее покрытие CVD, то полученная комбинация будет имеет область применения ISO Р10…Р20.

Несмотря на то, что диапазон скорости резания для покрытой пластины будет существенно выше, и соответственно выше ее производительность, прочность пластины не позволит использовать инструмент для работы в тяжелых условиях. Таким образом, простейшие покрытия CVD смещают область применения твердых сплавов в сторону высоких скоростей резания, снижая их прочностные характеристики. Учитывая это, можно было бы сделать вывод, что такие сплавы наилучшим образом будут подходить для чистовой обработки, но тут вступает в силу другое ограничение.

Процесс химического осаждения характеризуется более высокой скоростью роста на заострённых участках поверхности изделий. С ростом толщины слоя покрытия адгезия катастрофически снижается. Применения CVD означает, что толстый и легко откалывающийся слой покрытия ляжет как раз в зоне режущей кромки. С этим можно бороться, значительно округляя режущую кромку перед нанесением покрытия. Минимальная величина округления 20 мкм, типовое значение для современных пластин 35-50 мкм. Подобная подготовка кромки желательна для пластин, предназначенных для черновой и получистовой токарной и фрезерной обработки, но для ряда других инструментов кромка должна быть острой. К ним относятся пластины для тонкого финишного точения и расточки, резьбовые и профильные пластины и все типы цельного концевого инструмента. Так, для цельных твердосплавных фрез, типовая толщина стружки на уровне 20…40 мкм вообще оказывается ниже уровня возможной для CVD остроты кромки, что сравнимо с попыткой аккуратно нарезать сыр тупой стороной ножа.

PVD покрытие

Технологии нанесения покрытий на режущий инструмент, а именно PVD (Physical Vapor Deposition), или MEVVA (Metal Vapor Vacuum Arc), или КИБ (конденсация с ионной бомбардировкой) впервые появилась в начале 80х годов прошлого столетия. Первые покрытия PVD были получены в виде одного слоя нитрида титана TiN толщиной 2…4 мкм.

Нанесение этих покрытий определилось в первую очередь тем фактом, что PVD технология наиболее успешно улучшает свойства тех режущих инструментов, где технология CVD неэффективна или бесполезна. Во-первых, PVD реализуется при принципиально более низких температурах, не превышающих 600 °С, что позволяет покрывать как твердосплавные пластины, так и инструменты из быстрорежущих сталей и даже просто детали машин, работающие в условиях интенсивного трения. Во-вторых, покрытие PVD может быть нанесено на острую кромку и вследствие равномерного характера осаждения не вызывает ее притупления. Таким образом, данный тип покрытий может с успехом использоваться для мелкоразмерных концевых инструментов. В то же время тонкий слой покрытия PVD не может соперничать с более мощными покрытиями CVD, суммарная толщина слоев которых может достигать 22…25 мкм, поэтому по сей день уступает им долю рынка сменных неперетачиваемых пластин.