Структура и механические свойства покрытий на основе нитрида титана с содержанием бора

Объектом исследований в данной квалификационной работе являются износостойкие мультислойные покрытия на основе нитрида титана с содержанием бора.
В работе решали одновременно две задачи. Во-первых – это поиск оптимальных параметров технологических процессов в вакууме, основанных на применении электродугового и магнетронного разрядов для распыления мишеней. Во-вторых – исследование физико-механических свойств получаемых износостойких пленочных систем на поверхности образцов, выполненных из инструментального сплава ВК8. В результате работы было получено композиционные покрытия TiN+TiB2.
В работе приводятся экспериментальные данные по твердости, трещиностойкости и толщине данных покрытий. Для сравнения с композиционным покрытием TiN+TiB2 были рассмотрены системы ZrN+TiB2, CrN+TiB2, Cr+TiB2.

Введение ………………………………………………………………………………………………. 11
ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ, СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
ЖАРОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ TiB2 …………………………………………………….. 12
1.1 Проблемы, возникающие в зоне контакта режущего инструмента с
покрытием и заготовкой ……………………………………………………………………… 12
1.2 Жаростойкие покрытия и их требования …………………………………………. 14
1.3 Свойства материала TiB2 ……………………………………………………………….. 16
1.4 Методы формирования функционального слоя ……………………………….. 18
1.4.1 Методы PVD нанесения покрытий ……………………………………………. 19
1.4.2 Генераторы плазмы на основе магнетронного разряда ……………….. 20
1.5 Постановка задачи и цели работы …………………………………………………… 23
ГЛАВА 2. ОБОРУДОВАНИЯ, ПРИБОРЫ, МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ И
МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ……………………………………………………………. 24
2.1 Материалы переходных слоев и образцов ……………………………………….. 24
2.2 Оборудование для нанесения подслоев и функционального слоя ……… 25
2.2.1 Установка ННВ-6,6 ………………………………………………………………….. 25
2.2.2 Конструкция и принцип действия установки ННВ-6,6 ……………….. 26
2.2.3 Электродуговой испаритель ……………………………………………………… 31
2.2.4 Магнетронная распылительная система …………………………………….. 32
2.3 Методы исследования физико-механических свойств покрытий ………. 35
2.3.1 Твердость покрытий ………………………………………………………………… 35
2.3.3 Адгезия …………………………………………………………………………………… 37
2.4 Методика рентгенофлуоресцентного анализа ………………………………….. 39
ГЛАВА 3. НАНЕСЕНИЕ И ИСЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ ……. 39
3.1 Формирования на поверхности режущих пластин переходных слоев из
соединения различного состава …………………………………………………………… 39
3.2 Формирования функционального слоя TiB2 …………………………………….. 44
3.3 Физико- механические характеристики полученных покрытий ………… 47
3.3.1Твердость переходных и функциональных слоев ………………………… 47
3.3.2 Толщина полученных покрытий ……………………………………………….. 48
3.3.3 Измерение стойкости полученных композитных покрытий ………… 49
3.4 Элементный состав композита TiN+TiB2 ………………………………………… 51
ГЛАВА 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение ………………………………………………………………………………… 54
4.1 Предпроектный анализ. Потенциальные потребители результатов
исследования ……………………………………………………………………………………… 55
4.1.1 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения ……………………………………. 56
4.1.2 SWOT-анализ ………………………………………………………………………….. 58
4.1.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации ………………………. 60
4.1.4 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования …………………………………………………………………………………… 61
4.2 Инициация проекта ……………………………………………………………………….. 62
4.3 Планирование управления научно-техническим проектом ……………….. 64
4.3.1 Иерархическая структура работ проекта ……………………………………. 64
4.3.2 Контрольные события проекта …………………………………………………. 65
4.3.3 План проекта …………………………………………………………………………… 65
4.3.4 Бюджет научного исследования ……………………………………………….. 68
4.3.5 Матрица ответственности ………………………………………………………… 71
4.3.6 Реестр рисков проекта ……………………………………………………………… 71
4.3.7 Оценка сравнительной эффективности исследования…………………. 72
ГЛАВА 5. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ………………………………….. 76
5.1 Анализ выявленных вредных факторов проектируемой
производственной среды …………………………………………………………………….. 77
5.1.1 Шум на рабочем месте …………………………………………………………….. 77
5.1.2 Вибрации на рабочем месте ……………………………………………………… 79
5.1.3 Вредные вещества ……………………………………………………………………. 80
5.1.4 Микроклимат на рабочем месте ………………………………………………… 81
5.1.5 Электромагнитное излучение на рабочем месте…………………………. 83
5.2 Освещение на рабочем месте …………………………………………………………. 84
5.2.1 Расчет искусственного освещения …………………………………………….. 85
5.3 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой
производственной среды …………………………………………………………………….. 88
5.3.1 Давление …………………………………………………………………………………. 88
5.3.2 Электрический ток …………………………………………………………………… 89
5.3.3 Статическое электричество ………………………………………………………. 92
5.4 Пожаробезопасность на рабочем месте …………………………………………… 94
5.5 Охрана окружающей среды ……………………………………………………………. 95
5.6 Защита в ЧС ………………………………………………………………………………….. 96
5.7 Организационные защитные мероприятия ………………………………………. 97
5.8 Меры по технике безопасности на рабочем месте ……………………………. 97
5.8.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………….. 99
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СТУДЕНТА ………………………………………………… 101
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………………….. 102
Приложение «А» …………………………………………………………………………………. 105

По результатам выполненной работы можно сделать следующие
выводы:
1. Установлены оптимальные режимы нанесения
функционального слоя покрытия системы TiN+TiB2, полученными
магнетронным и электродуговым методом распылений мишеней. В
результате выявлено, что оптимальный комплекс свойств
функционального слоя того покрытия, достигается при температуре
350℃ и напряжении смещении – 250В. Так же одним из ключевых
параметров нанесения магнетронным методом распыления является
расстояние между катодом и подложкой, для оптимального
формирования функционального слоя покрытия TiB2 составляла 50 мм.
2. Установлены оптимальные режимы нанесения
функционального слоя покрытия системы TiN+TiB2, полученными
магнетронным и электродуговым методом распыления мишени. В
результате выявлено, что оптимальный комплекс свойств
функционального слоя того покрытия, достигается при температуре
350℃ и напряжении смещении – 250В. Так же одним из ключевых
параметров нанесения магнетронным методом распыления является
расстояние между катодом и подложкой, для оптимального
формирования функционального слоя покрытия TiB2 составляла 50 мм.
3. Установлены закономерности влияния параметров
осаждения переходных слоев Cr, CrN, ZrN,TiN на скорость
формирования подслоев и свойства покрытий вакуумно-дуговым
методом напыления. Обнаружено, что оптимальный комплекс свойств
переходных слоев покрытий TiN и ZrN достигается при температуре
300℃ и напряжении смещении –(200-250)В , а слоев Cr, CrN при
температуре 200-250℃ напряжении смешении –(200-250) В.
4. Выполнен сравнительный анализ структуры, физических,
механических характеристик полученных композиционных покрытий
TiN+TiB2; ZrN+TiB2; CrN+TiB2; Cr+TiB2; TiB2. Выявлено, оптимальное
с точки зрения физических и механических свойств, композиционное
покрытие TiN+TiB2; в котором переходной слой составил 1-2 мкм.
Наихудшими физико-механическими свойствами, получилось
композиты ZrN+TiB2, и TiB2 (без подслоя). Высокую твердость
защитного слоя TiB2, имел композит TiN+TiB2, твердость достигала
2096 кг/мм2, а низкую композит Cr+TiB2, твердость составила 1520
кг/мм2. Адгезионные свойства композитов, в результате исследования
классом 1 показал TiN+TiB2.
5. Выполнен ренгентнофлуоресцентный анализ композита
TiN+TiB2. Анализ показал максимальное содержание бора на верхнем
слое TiB2 композиционного покрытия – 42,95% , а Ti – 66.03%. Так же
анализ выявил, что функциональный слой, полученный магнетронным
методом распыления, получился абсолютно чистым без содержания
однородных примесей.
По итогам полученных данных можно сказать об работоспособности
жаростойкого композиционного покрытия TiN+TiB2, и использования в
качестве защитного барьера для режущих пластинок из ВК8.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СТУДЕНТА
Часть материалов исследовательской работы была представлена в
авторстве на IX Международная научно-практическая конференция
«Инновационные технологии в машиностроении», проходившей в ЮТИ ТПУ
(г. Юрга) с 24 по 26 мая 2018 г.
Получение и исследование эксплуатационных свойств
инструментальных покрытий. Соатов Д.М. НИ ТПУ (Томск), Куренбин Т.А.
ООО ПК МИОН (Томск), Гончаренко И.М., ИСЭ СО РАН (Томск).
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И
КОНТРОЛЯ НЕРАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В
МАШИНОСТРОЕНИИ: сборник трудов IX Международной научно-
практической конференции/ Юргинский технологический институт. – Томск:
Изд-во Томского политехнического университета, 2018. – 295 с

1. Корбут Е. В., Лабунец В. Ф. Особенности изнашивания инструмента
при обработке титановых сплавов // Проблеми тертя та зношування. – 2011. –
№. 55. – С. 83-93.
2. Трудности обработки титана. [Электронный ресурс]. – режим доступа:
http://www.tochmeh.ru/info/obrtit.php – Загл. с экрана.
3. Основные сведения о титане и его сплавах. [Электронный ресурс]. –
режим доступа: http://www.metotech.ru/titan-opisanie.htm# – Загл. с экрана.
4. Механическая обработка титана. [Электронный ресурс]. – режим
доступа: http://www.npprusmet.ru/articles.php?id=57-Загл. с экрана.
5. Резников Н.И., Бурмистров Е.В., Жарков И.Г. Обработка резанием
жаропрочных, высокопрочных и титановых сплавов. – М.: Машиностроение,
1972. – 200 с.
6. Huang P. et al. Milling force vibration analysis in high-speed-milling
titanium alloy using variable pitch angle mill // The International Journal of
Advanced Manufacturing Technology. – 2012. – Т. 58. – №. 1-4. – С. 153- 160.
7. Сутягин В. В., Сайкин С. А. Повышение ресурса концевого
инструмента за счет применения нанокомпозитных PVD-покрытий при
обработке титановых сплавов в авиастроении // Упрочняющие технологии и
покрытия. – 2008. – №. 5. – С. 41-44.
8.ГригорьевС.Н.Методыповышениястойкостирежущего
инструмента: учебник для студентов вузов. – М.: Машиностроение, 2011. – 368
с.: ил.
9. S. Veprek, S. Reiprich. A concept for the design of novel superhard
coatings.//Thin Solid Films 268 (1995), 64-71.
10. T. Hirai and S. Hayashi, J. Mater. Sci.17 (1982) 1320.
11. Brauer G. Magnetron sputtering – Milestones of 30 years / Brauer G.,
Szyszka B., Vergohl M., Bandorf R.// Vacuum. – 2010. – №84. – P. 1354-1359;
12. Kelly P.J. Magnetron sputtering: a review of recent developments and
applications/ Kelly P.J., Arnell R.D. // Vacuum. – 2000. – №56. – P.159172;
13. Musil J. Recent advances in magnetron sputtering technology // Surface
and Coatings Technology. – 1998. – №100-101. – P. 280-286 38. Wu Z. et al. Al-
Mg-B thin films prepared by magnetron sputtering // Vacuum. – 2010. – V. 85. –
P.541-545;
14. Wu B.H. et al. Plasma characteristics and properties of Cu films prepared
by high power pulsed magnetron sputtering // Vacuum. – 2017. – V. 135. – P. 93-
100;
15. Boo J.-H., et al. High-rate deposition of copper thin films using newly
designed high-power magnetron sputtering source // Surf. Coat. Technol. – 2004. –
V. 188-189. – P. 721-727;
16. Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей. – М.:
МИСИС, 2006, 632 с.
17. Коломыцев П.Т. Газовая коррозия и прочность никелевых сплавов.
М.: Металлургия, 1984, 216 с.
18. Каблов Е.Н., Голубовский Е.Р. Жаропрочность никелевых сплавов. –
М.: Машиностроение, 2001. – 463 с.
19. Мовчан Б.А., Малашенко И.С. Жаростойкие покрытия, осаждаемые
в вакууме. – Киев: Наук. Думка, 1983. – 232 с.
20. M. V. Frandsen and W. S. Williams, J. Hard. Mater., 4 (1993) 113119.
21.B. M. Kramer and P. K. Judd, J. Vac. Sci. Technol. A, 3 (1985) 2439-2444.
22. L. Wang, R. J. Arsenault, Metall. Trans. A, 22 (1991) 3013-3018.
23. M. Kornamnn and R. Funk, Aluminium, 53 (1977) 249-52.
24. R. Kiessling, Acta Chemica Scandinavia, 4 (1950) 209-227
25. H. Holleck, J. Vac. Sci. Technol., 6 (1986) 2661-2669.
26. C. Mitterer, M. Rauter and P. Rdhammer, Surf. Coat. Technol., 41 (1990)
351-363.
27. T. Shikama, Y. Sakai, M. Fukutomi and M. Okada, Thin Solid Films, 156
(1988) 287-293.
28. H. Holleck and H. Schulz, Surf. Coat. Technol., 36 (1988) 707-714.
29. W. D. Sproul, M. H. Richman, Modern Developments Powder Metal., 10
(1977) 491-498.
30. S. J. Bull, A. M. Jones and A. R. McCabe, Surf. Coat. Technol., 54/55
(1992) 173-179.
31. U. Wiklund, P. Hedenqvist and S. Hogmark, Surf. Coat. Technol., 97
(1997) 773-778. 6 H. Holleck and V. Shier, Surf. Coat. Technol., 76/77 (1995)
328336.
32. Кузьмичѐв А.И. Магнетронные распылительные системы / А.И.
Кузьмичѐв. – К.: Аверс, 2008. – 244 с.
33. Данилин Б.С. Магнетронные распылительные системы / Б.С.
Данилин, В.К. Сырчин. – М.: Радио и связь, 1982. – 72 с.
34. Window B. Unbalanced DC magnetrons as sources of high ion fluxes / B.
Window, N. Savvides // J. Vac. Sci. Technol. A. – 1986. – Vol. 4, is. 3. – P. 453-
456.
35. Savvides N. Unbalanced magnetron ion-assisted deposition and property
modification of thin films / N. Savvides, B. Window // J. Vac. Sci. Technol. A. –
1986. – Vol. 4, is. 3. – P. 504-506.
36. Соловьѐв А.А., Сочугов Н.С., Оскомов К.В. и др. Исследование
характеристик плазмы в несбалансированной магнетронной распылительной
системе / А.А. Соловьѐв [и др.] // Физика плазмы. – 2009. – Т. 35, is. 5. – С. 443-
452.