Анализ деформационно-структурных характеристик модифицированной системы инструмента холодной штамповки «подложка-покрытие»

EDN: JMYRNB

Повышение эффективности процессов обработки металлов давлением (ОМД) обеспечивается улучшением эксплуатационных характеристик поверхности штампового инструмента, которые определяются как структурно-деформационным упрочнением металла, так и уровнем контактных напряжений на рабочей поверхности оснастки.

Вопросы повышения стойкости рабочего инструмента изучаются в Ульяновском государственном техническом университете, в частности, процессы повышения стойкости модифицированной поверхности инструмента за счет предварительной пластической деформации (ППД) с последующим нанесение износостойких покрытий методом ионно-плазменного напыления. Наработана достаточная научно-прикладная основа применительно к процессам листовой штамповки (формоизменяющим и разделительным операциям) [1].

Установлено, что использование модифицированной рабочей поверхности повышает работоспособность тяжелонагруженного инструмента (пуансонов и матриц), как за счет использования износостойкого покрытия, так и за

счет создания благоприятных схем остаточных напряжений на контактной поверхности инструмента, что определяет существенное расширение технологических возможностей процессов обработки металлов давлением (ОМД), в частности, процессов холодной объемной штамповки [2].

Известно, что одной из основных причин выхода из строя рабочей поверхности штампов процессов ОМД, является их разрушение в виде сколов, усталостного разрушения и образования трещин, имеющих как хрупкий, так и вязкий характер. Механика и интенсивность процессов разрушения и износа, в свою очередь, напрямую зависят от значительных контактных напряжений, наличия знакопеременных и растягивающих напряжений, возникающих на рабочих поверхностях инструмента в процессе эксплуатации.

Повысить стойкость инструмента можно посредством управления напряженно-деформированным состоянием (НДС) материала рабочей поверхности оснастки путем минимизации растягивающих и увеличения сжимающих напряжений [3].

Следует так же отметить, что до настоящего времени эти вопросы ввиду сложности, нелинейности и недостаточной изученности не имеют корректного и полного аналитического описания.

В рамках технологического алгоритма реализации процесса ионно-плазменного напыления с использованием установки «Булат» использован адсорбционный процесс осаждения дискретных капель расплава нитрида титана (TiN) на подложку, подвергнутую предварительной модификации, заключающейся в предварительном холодном деформационном упрочнении поверхностного слоя (рис. 1).

Рис. 1 – Структурно-технологический алгоритм нанесения износостойкого покрытия TiN в процессе ионно-плазменного напыления на стальную подложку с модифицированным поверхностным слоем:

1 – Блок получения капельного расплава TiN;

2 – Блок термодинамических процессов при нанесении жидкой фазы на твердую модифицированную подложку; 3 – Блок кристаллизации покрытия

Известно, что сжимающие напряжения способствуют повышению стойкости участка поверхностного слоя металла. Таким образом, выявляется задача оценить влияние нанесенного покрытия и модифицированной структуры подложки на величину остаточных напряжений третьего рода (ст 0 ^ _т ), при этом, справедливым является положение, что рост сжимающих напряжений увеличивает стойкость поверхности инструмента.

Для решения данной задачи были проведены экспериментальных исследования, в рамках которых был выполнен анализ изменения остаточных напряжений третьего рода в системе «подложка-покрытие» в зависимости от уровня остаточной (накопленной) деформации поверхностного слоя.

Для определения субмикроскопических остаточных напряжений третьего рода был использован портативный рентгеновский дифрактометр РИКОР-4 [4], предназначенный для определения угловых положений интерференционных максимумов, возникающих вследствие дифракции рентгеновского излучения на кристаллической решетке материала (рис. 2).

На рисунке 3 представлена принципиальная схема модифицированной подложки, а также системы «подложка-покрытие».

Для оценки влияния предварительного деформационного упрочнения подложки (рис. 4 а) на уровень остаточных напряжений третьего рода, а так же нанесенного покрытия (рис. 4 б) были использованы образцы из стали 20Х13 (материал покрытия – нитрид титана TiN, толщина 4 мкм). Образцы получены холодным деформированием по схеме осадки и имеют различные степени предварительной остаточной деформации: образец 1 – недеформированный, степень относительной деформации - 0% (£ _отн = 0%); образец 2 – степень относительной деформации – 20% ( £ _отн =20%); образец 3 - степень относительной деформации - 26% (£ _отн =26%); образец 4 - сте-

a)

б)

Рис. 2 - Измерительный комплекс остаточных напряжений (о" 0 ? г ):

а) общий вид рентгеновского дифрактометра РИКОР-4;

б) Принципиальная схема устройства рентгеновского измерительного комплекса «РИКОР-4»

Рис. 3 - Схема формирования напряженно-деформированного состояния пограничного (промежуточного) поверхностного слоя адгезионного покрытия при использовании модифицированной подложки:

а) модифицированная подложка; б) система «адгезив- модифицированный субстрат»;

в) вынесенный элемент модифицированной структуры

пень относительной деформации - 36% ( £ _отн = 36%); образец 5 - степень относительной деформации - 46% (£ _отн =46%).

По результатам измерений установлен ха рактер распределения остаточных напряжений, характеризующих структурно-деформационное упрочнение модифицированной системы «подложка-покрытие» (табл. 1).

Рис. 4. - Используемые образцы для определения напряжений о о с т : 1 - £ _отн =0%; 2 - £ _отн =20%; 3 - £ _отн =26%; 4 - £ _отн =36%; 5 - г _отн =46%; а) поверхность модифицированной подложки; б) поверхность покрытия

Таблица 1 - Влияние ППД и покрытия на уровень напряжений о о с т

№ п/п	Степень относительной деформации, £отн %	Остаточные напряжения подложки, О^ подл	Остаточные напряжения покрытия, о о ® Тпокр	Разность остаточных напряжений, А
1	0	(+) 55 МПа (растяжение)	(-) 135 МПа (сжатие)	190
2	20	(-) 236 МПа (сжатие)	(-) 401 МПа (сжатие)	165
3	26	(-) 380 МПа (сжатие)	(-) 534 МПа (сжатие)	150
4	36	(-) 495 МПа (сжатие)	(-) 752 МПа (сжатие)	257
5	46	(-) 886 МПа (сжатие)	(-) 1042 МПа (сжатие)	156

Установлен рост интенсивности изменения уровня остаточных напряжений а ^ при £ _отн =36%, что характеризует увеличение адгезионной способности системы «подложки-покрытия», данный эффект был экспериментально подтвержден при изучении стойкости покрытия в зависимости от уровня модификации подложки.

Был построен график изменения остаточных напряжений третьего рода о^ в зависимости от степени предварительной деформации материала подложки, так же был определен угол наклона кривых изменения интенсивности остаточных напряжений а⁰^ (рис. 5).

На основании полученных результатов было выявлено следующее:

• -    для подложки: наблюдается монотонный рост о ^ металла подложки, причем, характер роста соответствует увеличению степени

относительной деформации £, находящийся в диапазоне значений £ _отн = (0 ... 46)% (вид напряжений, при данном диапазоне деформаций -сжимающие, что определяет пластическое нагружение - сдвиг). Отмечено, что исходный образец имеет остаточные напряжения: о ^ = +55 МПа (растяжение), что можно объяснить характером подготовки поверхности образцов перед испытаниями (шлифование и полирование);

• -    для покрытия: наблюдается монотонный рост о ^ в покрытии на основе нитрида титана (TiN) на всех исследуемых образцах, характер роста уровня сжимающих напряжений также соответствует увеличению степени относительной деформации £ _отн , находящийся в диапазоне значений £ _отн = (0 ... 46)%.

Для определения угла наклона (< а ) характерных участков кривых (рис. 5) была проведена оценка интенсивности изменения функции:

Рис. 5 – Характер изменения остаточных напряжений на модифицированной подложки

и покрытия системы «подложка-покрытие»

о ш п0СТ

= /(^£ oth )

п^ = / (^£ oth ) в системе «подложка-покрытие». Оценка интенсивности изменения угла наклона производилась путем определения коэффициента интенсивности (К_инт).

К = -^

^ ИНТ QQO 1 ⁽¹⁾ где а ; - текущий угол наклона в характерных точках графика.

В таблице 2 представлены результаты расчета интенсивности изменения угла наклона остаточных напряжений п оССТ подложки и покрытия, определяющих уровень искажения кристаллической решетки при реализации сдвига в процессе модифицирования подложки, а также коэффициента интенсивности в зависимости от относительной степени деформации подложки.

На основе полученных данных был построен график угла наклона характерных участков кривых, характеризующий степень интенсивности изменения остаточных напряжений третьего рода (п оССТ ) в диапазоне прикладываемых деформаций (рис. 6).

ВЫВОДЫ

• 1.    Анализ проведенных испытаний показывает наибольшее увеличение интенсивности изменения остаточных напряжений третьего рода на участке s = (36^46)%, что характеризует сделанный ранее вывод о максимальном структурно-деформационном упрочнении при сдвиге [5].

• 2.    Установлено, что в диапазоне прикладываемых степеней деформации s = (26...46)% наблюдается некоторое снижение структурно-деформационных характеристик, что объясняется «насыщением» процесса искажения кристаллической решетки при увеличении уровня накопленной деформации.

• 3.    Таким образом, по результатам проведенных исследований выявлен устойчивый харак-

• Таблица 2 – Характер изменения интенсивности угла наклона

П 'с кривых остаточных напряжений подложки и покрытия (ап0кР = /(eoth) )

№ п/п	Степень относительной деформации, eoth %	Угол наклона кривых		Интенсивность изменения
		подложка	покрытие	подложка	покрытие
		0 аП0ДЛ	„ о апокр	V- ПОДЛ ^ ИНТ .	у. покр ^ ИНТ .
1	0	55	52	0,61	0,57
2	20	55	52	0,61	0,57
3	26	67	65	0,74	0,72
4	36	41	65	0,45	0,72
5	46	75	70	0,83	0,77

Рис. 6 - Угол наклона кривых изменения остаточных напряжений третьего рода, а^а ° = ^т

тер повышения уровня сжимающих остаточных напряжений третьего рода системы «подложка-покрытие» в условиях реализации процесса предварительного упрочнения поверхностного слоя пластической деформацией, что приводит 3 к улучшению физико-механических и адгези-   .

онных свойств системы «подложка-покрытие» при обеспечении, таким образом, комплексного повышения эксплуатационной стойкости штам- 4. пового инструмента с покрытием, нанесенным методом ионно-плазменного напыления.