Исследование стабильности свойств наноструктурных покрытий на нано-и микроуровне

Abstract

В работе исследовали упаковочные ножи из высоколегированной стали марки X205Cr12KU, используемые в машинах типа MC1DT-T (MC Automations, Италия). Предложен способ повышения износостойкости поверхностного рабочего слоя инструмента упрочняющим наноструктурным керамическим покрытием ZrО2, полученным вакуумнодуговым методом. Выполнены комплексные исследования структуры и механических свойств покрытия ZrО2. Для анализа фазового и химического состава, морфологии поверхности, микроструктуры и нанотвердости покрытий применялся рентгенофлуоресцентный анализ (XRF), рентгеноструктурный анализ (XRD), сканирующая электронная микроскопия (SEM) с микроанализом (EDS), метод наноиндентирования. Изучены особенности распределения компонентов в покрытии при рекомендуемых параметрах обработки. Проведены исследования стабильности свойств наноструктурного покрытия ZrО2 на нано- и микроуровне. Измерения микротвердости покрытия ZrО2 были проведены при разных нагрузках индентора: 0,245; 0,490; 0,98 N. Степень вертикальной и горизонтальной неоднородности оценивали по анизотропии свойств. Выявлена анизотропия свойств при нагрузке 0,245 N, которая связана с локальной неоднородностью в распределении компонентов подложки. Максимальная нанотвердость покрытия ZrО2 составила 13,78 ГПа с отклонениями полученных данных до 4,75 %. Высокий уровень нанотвердости упрочняющего покрытия ZrО2 позволил повысить износостойкость поверхностного рабочего слоя в процессе эксплуатации и увеличить время между перезатачиванием инструмента.

In this work the packaging knives made from high-alloy steel of X205Cr12KU type used in wrapping machines of MC1DT-T type (MC Automations, Italy) has been investigated. In order to increase the cutting tool operational stability, the hardening implementation is reasonable. The method is proposed for increasing the wear resistance of the surface working layer of tools by hardening nanostructured ceramic coating. Zirconium dioxide ZrO2 ceramics possesses high resistance to crack propagation, high fracture toughness, high thermal expansion coefficient (α = 11x10-6/K, similar to some types of steel) and due to these properties, it is very much suitable for joining ceramic and steel. The ZrO2 coatings were obtained in "Bulat" type device by condensing vacuum-arc plasma purified from macro particulates by means of the curvilinear filter Comprehensive studies of the structure and mechanical properties of the ceramic coating have been carried out. Structure examinations – X-ray fluorescent analysis (XRF), X-ray diffraction analysis (XRD), scanning electron microscopy (SEM) with microanalysis (EDS), nanoidentation method – were performed to study phase and chemical composition, surface morphology, microstructure and nanohardness of coatings. Features of the components distribution in the coating at recommended processing parameters have been studied. SEM investigations revealed the formation of crack-free structure of the film. XRD data revealed the formation of fine-crystalline structured films with average grain size of ~25 nm. The stability of the properties of the nanostructured ZrO2 coating on the nano- and micro levels has been studied. Application of nano-coating helps to increase the micro- and nanohardness of surface of the cutting tool. Measurements of microhardness of the ceramic coating has been carried out under different loads of indenter: 0,245; 0,490; 0,98 N. The degree of vertical and horizontal heterogeneity was assessed by the anisotropy of the properties. Anisotropy of the properties was detected under a load of 0.245 N, which is associated with local heterogeneity in the distribution of the components of the substrate. The nanohardness was measured by Nanoindenter G200 (USA). The maximum nanohardness of ZrО2 coating comprised 13,78 GPa with the data spread 4,75 %. The high level of nanohardness of hardening ceramic coating allowed to increase the wear resistance of the working surface layer in operation and to increase the time between tool retooling

В роботі досліджували пакувальні ножі з високолегованої сталі марки X205Cr12KU, які використовуються в машинах типу MC1DT-T (MC Automations, Італія). Запропоновано спосіб підвищення зносостійкості поверхневого робочого шару інструменту зміцнюючим наноструктурним керамічним покриттям ZrО2, отриманим вакуумно-дуговим методом. Виконано комплексні дослідження структури і механічних властивостей покриття ZrО2. Для аналізу фазового і хімічного складу, морфології поверхні, мікроструктури і нанотвердості покриттів застосовувався рентгенофлуоресцентний аналіз (XRF), рентгеноструктурний аналіз (XRD), скануюча електронна мікроскопія (SEM) з мікроаналізом (EDS), метод наноіндентування. Вивчені особливості розподілу компонентів в покритті при рекомендованих параметрах обробки. Проведено дослідження стабільності властивостей наноструктурного покриття ZrО2 на нано- та мікрорівні. Вимірювання мікротвердості покриття ZrО2 були проведені при різних навантаженнях индентора: 0,245; 0,490; 0,98 N. Виявлена анізотропія властивостей при навантаженні 0,245 N, яка пов'язана з локальною неоднорідністю в розподілі компонентів металу інструмента. Максимальна нанотвердість покриття ZrО2 склала 13,78 ГПа з відхиленнями отриманих даних до 4,75%. Високий рівень нанотвердості зміцнюючого покриття ZrО2 дозволив підвищити зносостійкість поверхневого робочого шару в процесі експлуатації і збільшити час між перезаточуванням інструменту