Наноструктурный режущий инструмент

Ю.Г.Кабалдин, С.В.Серый, С.В. Уткин

(Нижегородский государственный технический университет)

В Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева разработали технологии осаждения на режущий инструмент наноструктурные многослойные покрытия методами PVD, CVD и CVD+PVD для широкого круга обрабатываемых материалов. Основой для их разработки являлись квантово-механические расчеты, выполняемые методом функционала электронной плотности (ТФП). Метод позволил определить составы покрытий, где нижние его слои обладают наибольшей силой сцепления с твердосплавной и быстрорежущей основой, а верхние слои с минимальной силой адгезии с обрабатываемыми материалами. Выявлена связь износостойкости покрытия с величиной их температурой сверхпроводимости. Это позволило наметить целенаправленный подход к совершенствованию составов покрытий. Квантово-механические расчеты наноструктурных частиц из TiN, TiC показали, что частицы 5, 10, 15 нм обладает более высокими значениями модуля упругости, уровня Ферми и другим характеристиками по сравнению с массивными, что способствует повышению износостойкости наноструктурных покрытий. Разработаны также технологии формирования наноструктурного состояния и в верхних слоях твердосплавной основы. Технологии и составы покрытий, а также твердосплавная основа защищены патентами РФ. Режущий инструмент демонстрировался на выставках Испания (2011),а также Сингапур (2011). Режущий инструмент прошел испытания на предприятиях Росатома (г. Н.Новгород) и показал более высокую износостойкость, чем режущий инструмент известных фирм Seco и Sandvick, Coromant, в частности, при обработке нержавеющих сталей и титановых сплавов.

Нитрид титана TiN был одним из первых видов износостойких покрытий для режущего инструмента. Структура массивного нитрида титана и других тугоплавких соединений хорошо известна. Нами разработаны пространственные (сферические) конфигурации частиц TiN. Рассчитывалось распределение плотности электронных состояний (ПЭС), а также их модуль упругости.

Все построенные плотности электронных состояний выглядят похожими на ПЭС массивного TiN, имеющего уровень Ферми около 2 эВ. Можно предположить, что природа такого сходства лежит в сходстве типа связей атомов Ti и N в наночастицах с сферической формы и с таким же типом связей, как и в объемном TiN.

В таблице 1 приведены значения уровня Ферми как наночастиц, так и объемного TiN. Как видно из таблицы 1, уровень Ферми в наночастицах с увеличением числа пар атомов титана и азота вначале возрастает, но затем интенсивность его роста снижается, однако оставаясь значительно выше, чем в массивном нитриде титана. Таким образом, нами впервые проведены расчёты наночастиц и показано их преимущество по сравнению с объёмным нитридом титана. Нитрид титана был одним из первых тугоплавких соединений, который стал использоваться в качестве износостойкого покрытия для режущего инструмента. Поэтому именно с него мы начали проводить квантово-механические расчёты.

Таблица 1

Уровни Ферми наночастиц и объемного нитрида титана.

Наночастица	Размер частицы 3нм	Размер частицы 5нм	Размер частицы 7нм	Размер частицы 10нм	TiN объемный
Уровень Ферми (Eо), эВ	4	10	16	18	2

Модуль упругости, рассчитанный для одной из наночастиц TiN-10 нм показывает, что он составил 620 ГПа, что выше, чем у объемного TiN.

Проведенные расчеты атомных и механических характеристик показали преимущество наночастиц по сравнению с объемным нитридом титана. В этой связи, важным моментом в дальнейшем явилось реализация наноструктурного состояния в покрытиях, предназначенных для широкого круга режущего инструмента.

В ходе проведенных исследований были найдены оптимальные режимы образования нанопокрытий, исследованы условия их получения. Установлено, что метод формирования частиц в плазме открывает возможность получать потоки частиц с размерами менее 5 нм, с узким спектром распределения частиц по размерам. Замечена роль теплообмена в формировании наночастиц. Дисперсность верхнего слоя покрытия, на который осаждается последующий атомный слой, зависит от его толщины, которая, в свою очередь, обусловливает особенность теплоотвода.

В этой связи, для подтверждения высказанной идеи, нами вначале были построены зависимости уровня Ферми тугоплавких соединений от температуры сверхпроводимости различных видов тугоплавких соединений, использующихся в качестве покрытий, в частности, карбидов и нитридов по справочным данным, которые, как указывалось выше, обладают большим разбросом, т.к. выполнены в разных условиях. Тем не менее выявлено, что карбиды переходных металлов обладают более низкими значениями Tc температуры сверхпроводимости, чем бинарные нитриды. Наибольшее значение температуры сверхпроводимости имеют нитриды ниобия.

Энергия Ферми E_О – максимальное значение энергии, которое может иметь электрон при температуре абсолютного нуля. Энергия Ферми совпадает со значениями химического потенциала газа фермионов при T = 0 K, то есть уровень Ферми для электронов играет роль уровня химического потенциала для незаряженных частиц. Соответствующий ей потенциал j_F=E_F/e называют электрохимическим потенциалом. Таким образом, уровнем Ферми или энергией Ферми в металлах является энергия, которую может видеть электрон при температуре абсолютного нуля.

Положение уровня Ферми является одной из основных характеристик состояния электронов (электронного газа) в твердом теле. В квантовой теории вероятность заполнения энергетического состояния электронами, определяется функцией Ферми.

Известно, что кубические нитриды ванадия, ниобия и тантала также являются сверхпроводниками с довольно высоким значением -Tc, что объясняется для них высокой плотностью состояний на уровне Ферми и довольно большим значением константы электрон-фононного взаимодействия и, возможно, размягчением фононных мод вследствие наличия плоскопараллельных участков поверхности Ферми (нестинга). Увеличение числа валентных электронов, т.е. переход к нитридам Me^VIN (Me=Cr, Mo, Nb) приводит, при условии сохранения типа кристаллической структуры, к сдвигу уровня Ферми в область еще более высоких плотностей состояний, что может повлечь за собой дальнейшее повышение Tc. Данный факт, в частности, и обусловил повышенное внимание исследователей к нитридам металлов VIа подгруппы.

Таким образом, атомные и электронные характеристики могут быть удобным критерием для поиска потенциально перспективных материалов с высокими температурами перехода в сверхпроводящее состояние.

Расчёты показали, что в состав нижних слоёв следует вводить титан, алюминий и др. Нижние слои покрытия должны обеспечивать высокую прочность сцепления с подложкой, а в верхние слои, напротив - низкую адгезию с обрабатываемым материалом.