RU2096518C1

RU2096518C1 - Layered composite coating on cutting and stamping tools

Info

Publication number: RU2096518C1
Application number: RU92012837A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Степанович Верещака; Григорий Владимирович Болотников; Андрей Кириллович Кириллов; Эрнст Михайлович Волин; Мирсаиб Куванович Куванов
Original assignee: Анатолий Степанович Верещака; Григорий Владимирович Болотников; Андрей Кириллович Кириллов; Эрнст Михайлович Волин; Мирсаиб Куванович Куванов
Priority date: 1992-12-18
Filing date: 1992-12-18
Publication date: 1997-11-20

Abstract

FIELD: coatings. SUBSTANCE: coating consists of alternating layers of refractory compounds of 4,5 or 4,6 groups of elements and those of 4,5 or 6 group of elements, thickness of layers ranging from 1 to 10 mcm. EFFECT: improved protective characteristics. 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к области металлообработки, в частности к износостойким покрытиям на режущем и штамповом инструменте, наносимым ионно-плазменным методом, в частности методом конденсации вещества из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой (КИБ). The present invention relates to the field of metalworking, in particular to wear-resistant coatings on a cutting and stamping tool applied by the ion-plasma method, in particular by the method of condensation of a substance from the plasma phase in vacuum with ion bombardment (CIB).

Известен способ нанесения покрытия на режущий инструмент [1]) для резания труднообрабатываемых материалов. Известный способ нанесения покрытия осуществляется ионно-плазменным методом и представляет собой осаждение композиционного покрытия, состоящего из металлов 4 и 6, 4 и 5 групп Периодической системы элементов. A known method of coating a cutting tool [1]) for cutting difficult materials. The known method of coating is carried out by the ion-plasma method and is the deposition of a composite coating consisting of metals of groups 4 and 6, 4 and 5 of the Periodic system of elements.

Недостатком известного технического решения является низкая стойкость к коррозионным процессам и недостаточно низкая адгезия к обрабатываемым материалам, что связано с тем, что такие композиционные слои являются твердыми растворами и поэтому обладают свойствами промежуточными между свойствами двухкомпонентных тугоплавких соединений, входящих в их состав. Известное покрытие обладает также недостаточной прочностью. A disadvantage of the known technical solution is the low resistance to corrosion processes and insufficiently low adhesion to the processed materials, due to the fact that such composite layers are solid solutions and therefore have intermediate properties between the properties of the two-component refractory compounds included in their composition. Known coating also has insufficient strength.

Наиболее близким техническим решением [2] является режущий инструмент с покрытием из сверхтвердых сплавов. Данное многослойное покрытие состоит из нижнего слоя карбида, нитрида или карбонитрида титана, промежуточного слоя на основе окиси алюминия и внешнего слоя на основе титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена, вольфрама, железа, кобальта. The closest technical solution [2] is a cutting tool coated with superhard alloys. This multilayer coating consists of a lower layer of titanium carbide, nitride or carbonitride, an intermediate layer based on aluminum oxide and an outer layer based on titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, iron, cobalt.

Недостатком известного технического решения является низкая износостойкость в условиях резания труднообрабатываемых материалов вследствие низкой прочности покрытия и слабой адгезии его нижнего слоя к инструментальной подложке. Это вызвано наличием в нижнем слое покрытия нитридов или карбидов металла 4 группы Периодической системы, обладающих низким сопротивлением хрупкому разрушению на границе раздела покрытие -инструментальная матрица в условиях развития трещин или при сильных пластических деформациях режущей части, характерных для процесса обработки труднообрабатываемых материалов. A disadvantage of the known technical solution is the low wear resistance under cutting conditions of difficult to process materials due to the low strength of the coating and the weak adhesion of its lower layer to the tool substrate. This is caused by the presence in the lower layer of the coating of metal nitrides or carbides of group 4 of the Periodic System, which have low resistance to brittle fracture at the coating-tool matrix interface under the conditions of crack development or with severe plastic deformations of the cutting part, characteristic of the processing of difficult to process materials.

Происходит разрушение покрытия в результате потери формоустойчивости режущей части инструмента, микроползучести, отрыва покрытия при воздействии адгезионно усталостных явлений и коррозионных процессов. The destruction of the coating occurs as a result of the loss of shape stability of the cutting part of the tool, microcreep, tearing of the coating under the influence of adhesive fatigue phenomena and corrosion processes.

Принципиально данные недостатки возможно решить за счет создания препятствий для движения трещин и дислокаций путем создания чередующихся слоев тугоплвких соединений, а также за счет создания адгезионных подслоев из чистого металла, обладающих значительной кристаллохимической совместимостью с верхними слоями и инструментальным материалом, снижающих напряжения на границе их раздела. Fundamentally, these shortcomings can be solved by creating obstacles to the movement of cracks and dislocations by creating alternating layers of refractory compounds, as well as by creating adhesive sublayers of pure metal that have significant crystal chemical compatibility with the upper layers and instrumental material, which reduce stresses at the interface.

Целью предлагаемого изобретения является повышение износостойкости покрытия, нанесенного на режущий и штамповый инструмент при работе в тяжелых условиях резания при обработке изделий из труднообрабатываемых материалов. The aim of the invention is to increase the wear resistance of the coating applied to the cutting and stamping tools when working in harsh cutting conditions when processing products from hard materials.

Указанная цель обеспечивается тем, что осаждаемое покрытие состоит из чередующихся слоев тугоплавкого соединения металлов 4,5 и 4,6 групп Периодической системы элементов и слоев, содержащих тугоплавкие соединения металлов 5 или 6 группы Периодической системы и(или) слоев тугоплавких соединений металлов 4 группы. This goal is ensured by the fact that the deposited coating consists of alternating layers of refractory compounds of metals of groups 4.5 and 4.6 of the Periodic system of elements and layers containing refractory compounds of metals of group 5 or 6 of the Periodic system and (or) layers of refractory compounds of metals of group 4.

Слои тугоплавких соединений металлов 5 или 6 группы Периодической системы имеют низкую адгезию по отношению к труднообрабатываемым материалам, однако их термостабильность, коррозионная стойкость значительно ниже, чем у тугоплавких соединений металлов 4 группы Периодической системы. Layers of refractory compounds of metals of group 5 or 6 of the Periodic system have low adhesion to materials that are difficult to process, but their thermal stability and corrosion resistance are significantly lower than that of refractory compounds of metals of group 4 of the Periodic system.

Для получения слоев покрытия, обладающих большей прочностью и одновременно большей твердостью слой покрытия из элементов 4 группы Периодической системы легируют тугоплавкими элементами 5 или 6 группы Периодической системы, эти слои имеют также большую термостабильность и коррозионную стойкость, чем тугоплавкие соединения 4 группы Периодической системы, и меньшую адгезию к обрабатываемому материалу, чем тугоплавкие соединения 4 группы. To obtain coating layers with greater strength and at the same time greater hardness, the coating layer from elements of the 4th group of the Periodic system is alloyed with refractory elements of the 5th or 6th group of the Periodic system, these layers also have greater thermal stability and corrosion resistance than the refractory compounds of the 4th group of the Periodic system, and less adhesion to the material being processed than the refractory compounds of group 4.

Покрытие, состоящее из указанных чередующихся двухкомпонентных и многокомпонентных слоев в совокупности обладают повышенной прочностью и твердостью, низкой адгезией к обрабатываемым материалам и высокой термостабильностью и коррозионной стойкостью. Эти свойства реализуются только при совместной работе слоев в различных условиях резания, обеспечивая повышение стойкости инструмента в широком диапазоне изменения режимов резания. Прочность покрытия обеспечивается также благодаря наличию между двухкомпонентными слоями многокомпонентных слоев, которые имеют также повышенную адгезию к каждому из двухкомпонентных слоев. A coating consisting of the indicated alternating two-component and multicomponent layers in the aggregate possess increased strength and hardness, low adhesion to the processed materials and high thermal stability and corrosion resistance. These properties are realized only when the layers work together under various cutting conditions, providing an increase in tool life over a wide range of cutting conditions. The strength of the coating is also ensured due to the presence between the two-component layers of multicomponent layers, which also have increased adhesion to each of the two-component layers.

Предлагаемая композиция покрытия чрезвычайно эффективно сопротивляется различным видам изнашивания, особенно адгезионно-усталостному изнашиванию в условиях действия переменных термомеханических нагрузок. А режущий инструмент с покрытием описанного вида имеет повышенную стойкость, особенно при резании труднообрабатываемых материалов. Кроме того, инструмент с предлагаемым покрытием, обладая низкой адгезионной способностью по отношению к обрабатываемому материалу, повышает качество и точность обработки за счет снижения склонности к наростообразованию и вследствие уменьшения трения и напряжения сдвига непосредственно в зоне формирования поверхности изделия. The proposed coating composition extremely effectively resists various types of wear, especially adhesive-fatigue wear under conditions of variable thermomechanical loads. A cutting tool with a coating of the described type has an increased resistance, especially when cutting hard materials. In addition, the tool with the proposed coating, having low adhesive ability with respect to the material being processed, improves the quality and accuracy of processing by reducing the tendency to build-up and due to the reduction of friction and shear stress directly in the zone of formation of the surface of the product.

Предлагаемое техническое решение реализуется следующим образом. The proposed technical solution is implemented as follows.

Изготовленный режущий и штамповый инструмент с тщательно подготовленной поверхностью, очищенной от физических и химических загрязнений, помещали в вакуумную камеру установки ННВ 6,6-И1, реализующей метод конденсации из плазмы дугового разряда с ионной бомбардировкой (КИБ). Установка снабжена тремя испарителями, работающими одновременно. The manufactured cutting and punching tool with a carefully prepared surface, cleaned of physical and chemical contaminants, was placed in the vacuum chamber of the NNV 6.6-I1 installation, which implements the method of condensation from plasma of an arc discharge with ion bombardment (CIB). The unit is equipped with three evaporators operating simultaneously.

При нанесении покрытий из нитридов и карбонитридов в камеру установки вводился соответственно азот, ацетилен и смесь азота с ацетиленом. Скорость вращения инструмента в камере установки составляла около 2,5-50 об/мин. When applying coatings of nitrides and carbonitrides, nitrogen, acetylene, and a mixture of nitrogen with acetylene were introduced into the setup chamber, respectively. The rotation speed of the tool in the installation chamber was about 2.5-50 rpm.

Технологический процесс конденсации проводился по следующим вариантам. The condensation process was carried out according to the following options.

Вариант 1. Устанавливали два катода из циркония и один из ниобия. Напряжение смещения устанавливали не ниже 200 В. Вакуумную камеру стачивали до давления 10^-5 мм рт.ст. Затем осаждали металлический слой из циркония и ниобия толщиной 0,3-2,5 мкм при давлении 10^-5-10^-4 мм рт.ст. и тока дуги 80-120 А. При этом толщина подслоя зависит от вида механообработки и формы рабочей поверхности инструмента. После этого в камеру установки подавался реакционный газ до давления 1-5•10^-3 мм рт.ст. и осаждалось покрытие заданного химического состава толщиной 1 10 мкм.Option 1. Installed two cathodes of zirconium and one of niobium. The bias voltage was set not lower than 200 V. The vacuum chamber was drained to a pressure of 10 ^-5 mm Hg. Then a metal layer of zirconium and niobium was deposited with a thickness of 0.3-2.5 microns at a pressure of 10 ^-5 -10 ^-4 mm Hg and arc current 80-120 A. The thickness of the sublayer depends on the type of machining and the shape of the working surface of the tool. After that, reaction gas was fed into the chamber of the installation to a pressure of 1-5 • 10 ^-3 mm Hg. and a coating of a predetermined chemical composition 1 10 μm thick was deposited.

При этом в условиях нанесения нитридных покрытий на малых скоростях вращения инструменты, прошедшие в момент остановки катод из циркония, имели покрытие золотистого цвета, а прошедшие катод из ниобия серебристого. На больших скоростях вращения инструмента в камере установки осажденное покрытие имело "соломенный" цвет. Это свидетельствовало о том, что слои нитрида циркония и нитрида ниобия диффундируют друг в друга, причем на малых скоростях вращения диффундируют не полностью. Moreover, under the conditions of deposition of nitride coatings at low rotational speeds, the instruments that passed the zirconium cathode at the moment of stopping had a gold color, and the past cathode made of silver niobium. At high speeds of rotation of the tool in the installation chamber, the deposited coating had a "straw" color. This testified to the fact that the layers of zirconium nitride and niobium nitride diffuse into each other, and at low rotation speeds they do not diffuse completely.

Вариант 2. При нанесении покрытия на стальной инструмент, когда недопустима высокая температура процесса осаждения покрытия и диффузия слоев в связи с этим недостаточна, использовали два катода из сплава на основе ниобия титана с добавками алюминия, циркония, молибдена в малых количествах, а третий катод из титана. Технологический процесс осуществляли аналогично варианту N 1 при температуре инструмента до 350^oC.Option 2. When coating a steel tool, when the high temperature of the coating deposition process is unacceptable and the diffusion of the layers is therefore insufficient, two cathodes made of an alloy based on niobium titanium with the addition of aluminum, zirconium, molybdenum in small quantities were used, and the third cathode was made titanium. The technological process was carried out similarly to option N 1 at a tool temperature of up to 350 ^o C.

Затем инструмент подвергали стойкостным испытаниям. Then the instrument was subjected to resistance tests.

Испытания проводились при продольном точении твердосплавными пластинками квадратной формы (03125 120408 ГОСТ 19051-80) из сплава МС 321 заготовок из никелида титана ТН 1 и пластинами квадратной формы из Р6М5К5 с задним углом α 18 при обработке труднообрабатываемого материала ЭП741НП на токарном станке модели 16К20. The tests were carried out during longitudinal turning by square-shaped carbide inserts (03125 120408 GOST 19051-80) from alloy MS 321 of titanium nickelide blanks ТН 1 and square-shaped plates from Р6М5К5 with a back angle α 18 when processing EP741NP hard-to-work material on a model lathe 16K20.

Механически закрепленные твердосплавные пластины в державках обеспечивали следующие значения геометрических параметров инструмента: g -5; a 8; v = Φ₁= 45; r 0,8 мм, быстрорежущих пластин γ 10, v = Φ ₁ = 45, r 1,2 мм.Mechanically fixed carbide inserts in the holders provided the following values of the geometric parameters of the tool: g -5; a 8; v = Φ ₁ = 45; r 0.8 mm, high-speed inserts γ 10, v = Φ ₁ = 45, r 1.2 mm.

Испытания проводили твердосплавных пластин на следующих режимах резания: v 20 м/мин, s 0,3 мм/об, t 1мм, с использованием СОЖ сульфофрезол. Tests were carried out on carbide inserts in the following cutting conditions: v 20 m / min, s 0.3 mm / rev, t 1 mm, using coolant sulfofresol.

Испытания быстрорежущих пластин проводили на следующих режимах: v 5 м/мин, s 0,1мм/об, t 1мм, с использованием СОЖ сульфофрезол. Tests of high-speed inserts were carried out in the following modes: v 5 m / min, s 0.1 mm / rev, t 1 mm, using coolant sulfofresol.

В процессе работы инструмента периодически измеряли величину износа инструмента по контактным поверхностям в зависимости от длины пути резания. Измерение износа проводили на оптическом приборе МБС-2. За критерий стойкости принимали длину пути резания до износа 0,5 мм. Коэффициент повышения стойкости определяли как отношение времени резания инструмента до износа с покрытием к времени резания инструмента без покрытия. During tool operation, the tool wear value was periodically measured on contact surfaces depending on the length of the cutting path. Wear was measured on an MBS-2 optical instrument. The resistance criterion was taken to be the length of the cutting path to wear of 0.5 mm. The coefficient of increase in resistance was determined as the ratio of the time of cutting a tool to wear with a coating to the time of cutting a tool without coating.

Результаты испытаний представлены в таблице. The test results are presented in the table.

Сравнительный анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что стойкость инструмента с предлагаемым составом и конструкцией покрытия возрастает на 30 50% по сравнению с прототипом, что свидетельствует о достижении цели изобретения. A comparative analysis of the data given in the table shows that the tool life with the proposed composition and construction of the coating increases by 30 50% compared with the prototype, which indicates the achievement of the purpose of the invention.

Источники информации, принятые во внимание
Верещака А.С. и Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. М. Машиностроение, 1986, с. 188.Sources of information taken into account
Vereshchak A.S. and Tretyakov I.P. Cutting tools with wear resistant coatings. M. Engineering, 1986, p. 188.

Заявка Японии N 56-52110, кл. С 23 С 11108, 1981. Japanese Application N 56-52110, cl. C 23 C 11108, 1981.

Claims

A multilayer composite coating on a cutting and stamping tool, consisting of alternating layers of refractory compounds, characterized in that one of the alternating layers contains refractory compounds of metals of the IV, V or IV, VI groups of the Periodic Table of Elements, and the other refractory compounds of metals IV, V, or VI groups, while the thickness of the layers is 1
10 microns.