Study of degradation mechanism of metal-cutting tools and their hardening by ZrN PVD coatings

Abstract

The wear behavior of packaging knives made from high-alloy steel of X205Cr12KU type used in wrapping machines of MC1DT-T type (MC Automations, Italy) has been investigated. ZrN nanostructured coatings deposited by physical vapor deposition (PVD) with RF discharge mode have been employed to act as protective coatings on such knives due to their high hardness and chemical stability. The chemical composition, microstructure, and physical-mechanical characteristics of the ZrN coating have been studied by means of optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), energy dispersive spectrometry (EDS) and nanoidentation method. The maximum nanohardness of the ZrN coating reached 32.05 GPa, which was 3.4 times higher than the tool matrix and was 57.65 % higher than that of the base metal spec-carbide phase. The application of coatings allowed stabilizing the working surface layer under deformation and to prevent the carbide phase from being crushed. Due to ZrN coating an increase in wear resistance by 3 times under production conditions was achieved.

Проведено дослідження зносостійкості пакувальних ножів з високолегованої сталі марки X205Cr12KU, які використовуються в машинах типу MC1DT-T (MC Automations, Італія). Наноструктурні покриття ZrN, отримані фізичним осадженням з газової фази (PVD) за допомогою ВЧ-розряду, завдяки високій твердості та хімічній стабільності використовувалися для захисту поверхні таких ножів. Хімічний склад, мікроструктурa та фізико-механічні характеристики покриття ZrN вивчалися за допомогою: оптичної мікроскопії, скануючої електронної мікроскопії (SEM), рентгенівської дифрактометрії (XRD), енергодисперсійної спектрометрії (EDS) та методу наноідентування. Максимальна нанотвердiсть покриття ZrN досягала 32,05 ГПа, що в 3, 4 рази більше, ніж твердість матриці інструмента, і на 57,65 % вище, ніж у карбідної фази основного металу. Застосування покриттів дозволило стабілізувати робочий поверхневий шар при деформації і запобігти подрібненню карбідної фази. Завдяки покриттю ZrN було досягнуто підвищення зносостійкості у виробничих умовах в 3 рази.

Проведено исследование износостойкости упаковочных ножей из высоколегированной стали марки X205Cr12KU, используемых в машинах типа MC1DT-T (MC Automations, Италия). Наноструктурные покрытия ZrN, полученные физическим осаждением из газовой фазы (PVD) с применением ВЧ-разряда, благодаря высокой твердости и химической стабильности использовались для защиты поверхности таких ножей. Химический состав, микроструктура и физико-механические характеристики покрытия ZrN изучались с помощью: оптической микроскопии, сканирующей электронной микроскопии (SEM), рентгеновской дифрактометрии (XRD), энергодисперсионной спектрометрии (EDS) и метода наноидентирования. Максимальная нанотвердость покрытия ZrN достигала 32,05 ГПа, что в 3,4 раза больше, чем твердость матрицы инструмента, и на 57,65 % выше, чем у карбидной фазы основного металла. Применение покрытий позволило стабилизировать рабочий поверхностный слой при деформации и предотвратить измельчение карбидной фазы. Благодаря покрытию ZrN было достигнуто повышение износостойкости в производственных условиях в 3 раза.