RU2297473C1

RU2297473C1 - Method for deposition of multi-layer coating onto cutting tool

Info

Publication number: RU2297473C1
Application number: RU2005136851/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Табаков (RU); Владимир Петрович Табаков; Алексей Валерьевич Циркин (RU); Алексей Валерьевич Циркин; Алексей Валерьевич Чихранов (RU); Алексей Валерьевич Чихранов; Александр Николаевич Тулисов (RU); Александр Николаевич Тулисов
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2005-11-25
Publication date: 2007-04-20

Abstract

FIELD: deposition of wear-resistant coatings onto cutting tools, possibly in metal working industry branches.

SUBSTANCE: method is realized by vacuum-plasma deposition of double-layer coating. Method comprises steps of depositing lower layer at nitrogen pressure 8 x 10^-4 Pa in chamber of installation; using nitride of titanium and zirconium or nitride of titanium and iron or nitride of titanium and silicon or nitride of titanium and aluminum for deposition of lower layer; using the same nitride alloyed with chrome for depositing upper layer at nitrogen pressure 4 x 10^-3Pa in chamber of installation. In concrete variants of invention lower layer with thickness consisting of 25 -30% of the whole thickness of coating is deposited while the whole thickness of coating is in range 3 - 9 micrometers.

EFFECT: improved working capacity of tool, enhanced quality of working by such tool due to its increased wear resistance and cracking resistance.

2 cl, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.The invention relates to methods for applying wear-resistant coatings to a cutting tool and can be used in metalworking.

Известен способ получения износостойкого покрытия для режущего инструмента (РИ), при котором на его поверхность вакуумно-дуговым методом наносят покрытие из нитрида титана (TiN) или карбонитрида титана (TiCN) (см. Табаков В.П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана. Ульяновск: УлГТУ, 1998. 122 с.). К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе покрытия, обладающие хорошей адгезией к инструментальному материалу, имеют относительно низкую твердость и уровень сжимающих напряжений либо имеют высокую микротвердость, но недостаточную прочность сцепления с инструментальной основой. В результате этого покрытие легко подвергается абразивному износу, в нем быстро зарождаются и распространяются трещины, приводящие к разрушению покрытия, что снижает стойкость РИ с покрытием.There is a method of obtaining a wear-resistant coating for a cutting tool (RI), in which a titanium nitride (TiN) or titanium carbonitride (TiCN) coating is applied on its surface by a vacuum-arc method (see Tabakov V.P. Performance of a cutting tool with wear-resistant coatings on based on complex titanium nitrides and carbonitrides. Ulyanovsk: UlSTU, 1998. 122 p.). The reasons that impede the achievement of the following technical result when using the known method include the fact that in the known method, coatings having good adhesion to the tool material have relatively low hardness and level of compressive stresses or have high microhardness, but insufficient adhesion to the tool base . As a result of this, the coating easily undergoes abrasive wear, and cracks are rapidly generated and propagate in it, leading to the destruction of the coating, which reduces the resistance of the RI with the coating.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида титана TiN и верхнего слоя нитрида титана-циркония TiZrN (см. Свидетельство на полезную модель RU 27089 U1, МПК 7 С23С 14/00. - 10.01.2003. - Бюл. №1), принятый за прототип.The closest method of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a method comprising vacuum-plasma deposition of a multilayer coating consisting of a lower layer of titanium nitride TiN and an upper layer of titanium-zirconium nitride TiZrN (see Utility Model Certificate RU 27089 U1, IPC 7 С23С 14/00. - 01/10/2003. - Bull. No. 1), adopted as a prototype.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе многослойное покрытие содержит слои, имеющие низкую прочность, износостойкость и трещиностойкость. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам износа и разрушения и быстро разрушается при резании.For reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known method adopted as a prototype, the multilayer coating in the known method contains layers having low strength, wear resistance and crack resistance. As a result, the coating poorly resists the processes of wear and tear and quickly collapses when cutting.

Повышение в последнее время стоимости металлорежущего инструмента и ужесточение требований к точности обрабатываемых деталей сделало еще более актуальной проблему повышения стойкости РИ. Основной причиной износа РИ является возникновение трещин в его режущей части, являющихся причиной появления сколов и выкрашиваний, связанных с усталостным разрушением и явлением ползучести режущего клина РИ. Одним из путей повышения стойкости и работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа. Наличие в покрытии слоев с определенными теплофизическими и механическими свойствами способно тормозить процессы образования и распространения трещин без снижения микротвердости, улучшить термонапряженное состояние РИ с покрытием и повысить стойкость РИ. Также при резании с высокими скоростями резания интенсифицируются процессы окислительного и диффузионного износа, способствующие разупрочнению материала покрытия и инструментальной основы.Recently, the increase in the cost of metal-cutting tools and stricter requirements for the accuracy of machined parts made the problem of increasing the resistance of radiation sources even more urgent. The main cause of RI wear is the occurrence of cracks in its cutting part, which are the cause of chips and chipping associated with fatigue failure and the creep phenomenon of the RI cutting wedge. One of the ways to increase the durability and performance of coated RIs is by applying multilayer coatings. The presence in the coating of layers with certain thermophysical and mechanical properties can inhibit the processes of formation and propagation of cracks without reducing microhardness, improve the thermally stressed state of RS with a coating and increase the resistance of RS. Also, when cutting with high cutting speeds, the processes of oxidative and diffusion wear are intensified, contributing to softening of the coating material and the tool base.

Технический результат - повышение работоспособности РИ и качества обработки.The technical result is an increase in the health of the Republic of Ingushetia and the quality of processing.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе на рабочие поверхности РИ вакуумно-дуговым методом наносится двухслойное покрытие. Особенность заявляемого способа заключается в том, что в качестве нижнего слоя при давлении азота в камере установки 8·10^-4 Па наносят нитрид титана и циркония, или нитрид титана и железа, или нитрид титана и кремния, или нитрид титана и алюминия, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 4·10^-3 Па наносят такой же нитрид, легированный хромом. Осаждение нижнего слоя покрытия при пониженном давлении газа позволяет получить более высокую прочность сцепления покрытия с инструментальной основой. Компоновка установки для нанесения покрытия включает один катод из титанового сплава ВТ1-0, один катод из титанового сплава, содержащий вставку из циркония или железа (или алюминиевый катод со вставкой из титана, или составной катод со вставкой, содержащей титан и кремний), и один катод, содержащий вставку из хрома. При осаждении верхнего слоя используются все три катода с целью получения слоя TiZrCrN, TiFeCrN, TiAlCrN или TiSiCrN, а при осаждении нижнего слоя катод, содержащий хром, отключают. Использование в качестве материалов слоев сложных нитридов (TiZrCrN, TiFeCrN, TiAlCrN или TiSiCrN) обеспечивает высокую стойкость к окислительному и диффузионному износу, а также высокую износостойкость, а применение в качестве материалов обоих слоев многокомпонентных материалов способствует повышению трещиностойкости покрытия. При этом в зависимости от области использования инструмента с покрытием его общая толщина может колебаться в пределах от 3 до 9 мкм, а доля нижнего слоя составлять 25-50% от общей толщины покрытия.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known method on the working surfaces of the RI by a vacuum-arc method, a two-layer coating is applied. A feature of the proposed method lies in the fact that titanium and zirconium nitride, or titanium and iron nitride, or titanium and silicon nitride, or titanium and aluminum nitride are applied as the lower layer at a nitrogen pressure in the installation chamber of 8 · 10 ^-4 Pa, and in as the upper layer at nitrogen pressure in the chamber of the apparatus 4 · 10 ^-3 Pa apply the same nitride doped with chromium. The deposition of the lower coating layer under reduced gas pressure allows a higher adhesion strength of the coating to the tool base. The layout of the installation for coating includes one cathode of titanium alloy VT1-0, one cathode of titanium alloy containing an insert of zirconium or iron (or an aluminum cathode with an insert of titanium, or a composite cathode with an insert containing titanium and silicon), and one cathode containing chromium insert. In the deposition of the upper layer, all three cathodes are used to obtain a TiZrCrN, TiFeCrN, TiAlCrN or TiSiCrN layer, and in the deposition of the lower layer, the cathode containing chromium is turned off. The use of complex nitride layers as materials (TiZrCrN, TiFeCrN, TiAlCrN or TiSiCrN) provides high resistance to oxidative and diffusion wear, as well as high wear resistance, and the use of multicomponent materials as both layers of materials contributes to an increase in crack resistance of the coating. Moreover, depending on the area of use of the coated tool, its total thickness can range from 3 to 9 microns, and the proportion of the lower layer can be 25-50% of the total coating thickness.

Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе резания РИ работает в условиях окислительного и диффузионного износа, а также воздействия адгезионно-усталостных процессов и трещин. Для снижения интенсивности процессов износа и разрушения покрытия и самого инструмента наиболее эффективны покрытия сложного состава, а в условиях трещинообразования еще большую эффективность показывают многослойные покрытия со слоями сложного состава. При этом увеличение количества легирующих элементов в составе покрытия приводит к росту его твердости и износостойкости, а также - трещиностойкости. Однако при этом часто снижается прочность сцепления покрытия с инструментальной основой. В то же время повысить прочность сцепления покрытия с основой можно путем снижения давления реакционного газа при его конденсации, правда, при этом снижаются другие его эксплуатационные свойства (износостойкость и др.). Поэтому целесообразно применение двухслойного покрытия, в котором верхний слой должен обладать наивысшими износо- и трещиностойкостью, а нижний в первую очередь должен обеспечивать высокую прочность сцепления с инструментальной основой. В зависимости от условий резания толщина покрытия меняется от 3 до 9 мкм (меньшие значения - при прерывистом резании). При этом при уменьшении толщины покрытия доля нижнего слоя возрастает до 50%, чтобы обеспечить возможность получения сплошного слоя, способного полноценно выполнять свои функции (слои толщиной менее 1 мкм нефункциональны). Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанных в формуле изобретения толщин слоев, показали более низкие результаты.The invention consists in the following. In the process of cutting, RI works under conditions of oxidative and diffusion wear, as well as the effects of adhesive-fatigue processes and cracks. To reduce the intensity of the processes of wear and destruction of the coating and the tool itself, coatings of complex composition are most effective, and in conditions of crack formation, multilayer coatings with layers of complex composition show even greater efficiency. Moreover, an increase in the number of alloying elements in the coating leads to an increase in its hardness and wear resistance, as well as crack resistance. However, this often reduces the adhesion of the coating to the tool base. At the same time, it is possible to increase the adhesion strength of the coating to the base by reducing the pressure of the reaction gas during its condensation, however, at the same time, its other operational properties (wear resistance, etc.) are reduced. Therefore, it is advisable to use a two-layer coating, in which the upper layer should have the highest wear and crack resistance, and the lower one should first provide high adhesion to the tool base. Depending on the cutting conditions, the coating thickness varies from 3 to 9 μm (lower values with interrupted cutting). In this case, with a decrease in the coating thickness, the fraction of the lower layer increases to 50% in order to ensure the possibility of obtaining a continuous layer capable of fully performing its functions (layers with a thickness of less than 1 μm are non-functional). Coated plates obtained with deviations from the layer thicknesses indicated in the claims showed lower results.

Для экспериментальной проверки заявленного способа было нанесено покрытие-прототип с соотношением слоев, соответствующем оптимальному значению, указанному в известном способе, а также двухслойное покрытие по предлагаемому способу. Покрытия наносили на твердосплавные пластины в вакуумной камере установки "Булат-6", снабженной тремя катодами, расположенными горизонтально в одной плоскости. В качестве катодов испаряемого металла при нанесении нижнего слоя (TiZrN, TiFeN, TiAlN или TiSiN) использовали один катод из титанового сплава ВТ1-0 и один катод из титанового сплава, содержащий вставку из циркония или железа (или катод со вставкой из титана и кремния, или катод с алюминиевым корпусом и титановой вставкой). При нанесении верхнего слоя (TiZrCrN, TiFeCrN, TiAlCrN или TiSiCrN) используют указанные два катода плюс катод, содержащий вставку из хрома и расположенный между первыми катодами. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки.For experimental verification of the claimed method, a prototype coating was applied with a layer ratio corresponding to the optimal value specified in the known method, as well as a two-layer coating according to the proposed method. The coatings were applied to carbide plates in the vacuum chamber of the Bulat-6 installation, equipped with three cathodes located horizontally in the same plane. As the cathodes of the evaporated metal when applying the lower layer (TiZrN, TiFeN, TiAlN or TiSiN), one VT1-0 titanium alloy cathode and one titanium alloy cathode containing an insert of zirconium or iron (or a cathode with an insert of titanium and silicon, or cathode with an aluminum casing and a titanium insert). When applying the upper layer (TiZrCrN, TiFeCrN, TiAlCrN or TiSiCrN), these two cathodes plus a cathode containing a chromium insert and located between the first cathodes are used. The coatings were applied after preliminary ion cleaning.

Пример получения покрытия TiZrN-TiZrCrN толщиной 6 мкм.An example of obtaining a coating TiZrN-TiZrCrN with a thickness of 6 μm.

Твердосплавные пластины МК8 (размером 4,7×12×12 мм) промывают в ультразвуковой ванне, протирают ацетоном, спиртом и устанавливают на поворотном устройстве в вакуумной камере установки "Булат-6", снабженной тремя испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. Камеру откачивают до давления 6,65·10^-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают один испаритель и при токе дуги 100 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°С. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем снижают отрицательное напряжение до 140 В, ток катушек до 0,3 А, включают два противоположных испарителя (катода) - титановый и составной (с циркониевой вставкой), подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм (слой TiZrN) в течение 12 мин при давлении газа 8·10^-4 Па. Затем при напряжении до 140 В, токе фокусирующих катушек до 0,3 А включают третий катод (содержащий хром). В камеру подают реакционный газ (давление 4·10^-3 Па) - азот и осаждают второй слой покрытия (TiZrCrN) толщиной 4,0 мкм в течение 24 мин. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.MK8 carbide inserts (4.7 × 12 × 12 mm in size) are washed in an ultrasonic bath, wiped with acetone, alcohol and mounted on a rotary device in the vacuum chamber of the Bulat-6 installation equipped with three evaporators located horizontally in the same plane. The chamber is pumped out to a pressure of 6.65 · 10 ^-3 Pa, the rotary device is turned on, a negative voltage of 1.1 kV is applied to it, one evaporator is turned on, and at an arc current of 100 A, the plates are cleaned and heated to a temperature of 560-580 ° C. The focusing coil current is 0.4 A. Then the negative voltage is reduced to 140 V, the coil current to 0.3 A, include two opposite evaporators (cathodes) - titanium and composite (with a zirconium insert), the reaction gas - nitrogen is fed into the chamber and precipitated coating with a thickness of 2.0 μm (TiZrN layer) for 12 min at a gas pressure of 8 · 10 ^-4 Pa. Then, at voltages up to 140 V, current focusing coils up to 0.3 A, a third cathode (containing chromium) is turned on. The reaction gas (pressure 4 · 10 ^-3 Pa) - nitrogen is fed into the chamber and a second coating layer (TiZrCrN) of 4.0 μm thickness is deposited for 24 minutes. Then shut off the evaporators, the supply of reaction gas, voltage and rotation of the device. After 15-20 minutes, the chamber is opened and the coated tool is removed.

Стойкостные испытания проводили на токарно-винторезном станке 16К20 (обработка стали 5ХНМ). Испытывали твердосплавные пластины марки МК8, обработанные по известному и предлагаемому способам. Критерий износа - фаска износа по задней поверхности шириной 0,4 мм.Durability tests were carried out on a 16K20 screw-cutting lathe (5XHM steel processing). Tested carbide inserts grade MK8, processed according to the known and proposed methods. The criterion of wear is the chamfer of wear along the rear surface with a width of 0.4 mm.

Таблица
Результаты испытаний РИ с покрытиемTable
Coated RI Test Results № ппNo pp Материал покрытияCoating material Толщина слоев покрытия (нижний-верхний), мкмThe thickness of the coating layers (lower-upper), microns Н_μ, ГПаN _μ , GPa К₀ K ₀ Стойкость, минResistance, min ПримечаниеNote 1one 22 33 4four 55 66 77 Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=157 м/мин, S=0,25 мм/об, t=1 ммThe processed material - 5XNM, V = 157 m / min, S = 0.25 mm / rev, t = 1 mm 1one TiNTiN 66 21,221,2 0,700.70 3838 АналогAnalogue 22 TiN-TiZrNTiN-TiZrN 2-42-4 32,032,0 0,550.55 8484 ПрототипPrototype 33 TiZrN-TiZrCrNTiZrN-TiZrCrN 2-42-4 36,236,2 0,330.33 117117 В соответствии с формулойAccording to the formula 4four TiSiN-TiSiCrNTiSiN-TiSiCrN 2-42-4 36,136.1 0,340.34 116116 55 TiFeN-TiFeCrNTiFeN-TiFeCrN 2-42-4 34,934.9 0,390.39 108108 66 TiAlN-TiAlCrNTiAlN-TiAlCrN 2-42-4 35,935.9 0,350.35 118118 77 TiZrN-TiZrCrNTiZrN-TiZrCrN 4-24-2 35,835.8 0,350.35 109109 Получены с отклонениямиReceived with deviations 88 TiSiN-TiSiCrNTiSiN-TiSiCrN 4-24-2 35,935.9 0,360.36 112112 99 TiFeN-TiFeCrNTiFeN-TiFeCrN 4-24-2 34,234.2 0,410.41 100one hundred 1010 TiAlN-TiAlCrNTiAlN-TiAlCrN 4-24-2 35,635.6 0,370.37 112112 11eleven TiZrN-TiZrCrNTiZrN-TiZrCrN 2-42-4 36,436,4 0,400.40 112112 При одинаковом давленииAt the same pressure 1212 TiSiN-TiSiCrNTiSiN-TiSiCrN 2-42-4 36,336.3 0,410.41 109109 1313 TiFeN-TiFeCrNTiFeN-TiFeCrN 2-42-4 35,235,2 0,450.45 101101 14fourteen TiAlN-TiAlCrNTiAlN-TiAlCrN 2-42-4 36,136.1 0,390.39 113113 1. Н_μ - микротвердость, ГПа (по Виккерсу).
2. К₀ - коэффициент отслоения, уменьшение величины которого свидетельствует о росте прочности сцепления с инструментальной основой.1. N _μ - microhardness, GPa (according to Vickers).
2. To ₀ - the coefficient of exfoliation, a decrease in the value of which indicates an increase in the adhesion to the tool base.

Как видно из приведенных в таблице данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше стойкости пластин, обработанных по способу-прототипу, в 1,2-1,35 раза. При этом пп.6-8 иллюстрируют, что при нарушении требований по назначению толщин слоев стойкость пластин снижается. В пп.9-11 показано, что в случае применения покрытий со слоями, осажденными при одинаковом давлении газа, стойкость также снижается.As can be seen from the data in the table, the resistance of the plates processed by the proposed method is higher than the resistance of the plates processed by the prototype method by 1.2-1.35 times. Moreover, paragraphs 6-8 illustrate that in case of violation of the requirements for the appointment of layer thicknesses, the resistance of the plates decreases. In paragraphs 9-11, it is shown that in the case of coatings with layers deposited at the same gas pressure, the resistance is also reduced.

Claims

1. A method of obtaining a multilayer coating for a cutting tool, comprising vacuum-plasma deposition of a two-layer coating, characterized in that titanium and zirconium nitride or titanium and iron nitride are applied as a lower layer at a nitrogen pressure in the installation chamber of 8 · 10 ^-4 Pa, or titanium and silicon nitride, or titanium and aluminum nitride, and the same chromium doped nitride is applied as the upper layer at a nitrogen pressure in the installation chamber of 4 · 10 ^-3 Pa.

2. The method according to claim 1, characterized in that in the two-layer coating, a lower layer is applied with a thickness of 25-50% of the total coating thickness, and the total coating thickness is 3-9 microns.