RU2330102C1

RU2330102C1 - Method of preparation of multi-layer coating for cutting tool

Info

Publication number: RU2330102C1
Application number: RU2006135500/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Табаков (RU); Владимир Петрович Табаков; Алексей Валерьевич Циркин (RU); Алексей Валерьевич Циркин; Алексей Валерьевич Чихранов (RU); Алексей Валерьевич Чихранов; Максим Юрьевич Смирнов (RU); Максим Юрьевич Смирнов; Дмитрий Сергеевич Сергунин (RU); Дмитрий Сергеевич Сергунин
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2008-07-27
Also published as: RU2006135500A

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: on working surfaces of cutting tool double-layer coating is applied with vacuum-plasma method. As bottom layer nitride of titanium, zirconium and molybdenum is applied, which contains 24-25% of zirconium, and as top layer nitride of titanium, zirconium and molybdenum is applied, which contains 7-8% of zirconium. Application of coating is implemented with application of three evaporators, which are installed in horizontal plane, from which two opposite ones contain titanium and molybdenum, and evaporator installed between them contains titanium and zirconium. All three evaporators are used in application of top layer, and in application of bottom layer one of evaporators that contains molybdenum is not used.

EFFECT: increase of cutting tool operability and quality of its processing.

1 tbl

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 technical result indicated below 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 basis. 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 according to the totality 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 C23C 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 низкие микротвердость, прочность сцепления друг с другом, износостойкость и стойкость к диффузионному и коррозионно-окислительному износу. 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 microhardness, adhesion to each other, wear resistance and resistance to diffusion and corrosion oxidation wear . 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 разупрочнение в результате действия диффузионных и коррозионно-окислительных процессов, а также образование микротрещин. Одним из путей повышения стойкости и работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа на основе сложнолегированных материалов. Наличие в покрытии сложнолегированных слоев, обладающих высокой термодинамической стабильностью, позволяет снизить интенсивность физико-химических процессов износа покрытия и повысить стойкость РИ. Для повышения прочности сцепления слоев друг с другом целесообразно включать в их состав различные элементы.Recently, the increase in the cost of metal-cutting tools and the tightening of requirements for precision machined parts made the problem of increasing the resistance of radiation sources even more urgent. The main cause of RI wear is softening as a result of diffusion and corrosion-oxidation processes, as well as the formation of microcracks. One of the ways to increase the resistance and performance of coated RIs is by applying multilayer coatings based on complex alloyed materials. The presence in the coating of complex-alloyed layers with high thermodynamic stability, allows to reduce the intensity of the physico-chemical processes of coating wear and increase the resistance of radiation. To increase the adhesion of the layers to each other, it is advisable to include various elements in their composition.

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 наносят нитрид титана, молибдена и циркония, содержащий 24-25% циркония, а в качестве верхнего слоя наносят нитрид титана, молибдена и циркония, содержащий 7-8% циркония, при этом нанесение покрытия осуществляют с применением трех катодов, расположенных в горизонтальной плоскости, из которых два противоположных содержат титан и молибден, а расположенный между ними катод содержит титан и цирконий, причем при нанесении верхнего слоя используют катод, содержащий титан и цирконий, и два катода, содержащих титан и молибден, а при нанесении нижнего слоя используют катод, содержащий титан и цирконий, и один из катодов, содержащих титан и молибден. Нижний слой обладает повышенной прочностью сцепления с инструментальной основой, а верхний - повышенной микротвердостью и износостойкостью. При этом оба слоя состоят из химически близких материалов, что повышает прочность их связи.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 is that titanium, molybdenum and zirconium nitride containing 24-25% zirconium is applied as a lower layer, and titanium, molybdenum and zirconium nitride containing 7-8% zirconium is applied as an upper layer, while applying coatings are carried out using three cathodes located in a horizontal plane, of which the two opposite ones contain titanium and molybdenum, and the cathode located between them contains titanium and zirconium, and when applying the upper layer, a cathode containing tita is used n and zirconium, and two cathodes containing titanium and molybdenum, and when applying the lower layer, a cathode containing titanium and zirconium and one of the cathodes containing titanium and molybdenum are used. The lower layer has increased adhesion to the tool base, and the upper layer has increased microhardness and wear resistance. At the same time, both layers consist of chemically close materials, which increases the strength of their bonds.

Компоновка установки для нанесения покрытия включает два составных катода, содержащих титан и вставку из молибдена, расположенные друг напротив друга, и один составной катод с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 и вставкой из циркониевого сплава Э-110, расположенный между первыми двумя катодами. При осаждении верхнего слоя используются все три катода с целью получения слоя TiMoZrN, содержащего 7-8% циркония, а при осаждении нижнего слоя один катод, содержащий молибден, отключают. Использование в качестве материалов слоев сложных нитридов (TiMoZrN) обеспечивает высокую стойкость к окислительному и диффузионному износу, а также высокую износостойкость, а применение в качестве материалов обоих слоев многокомпонентных материалов способствует повышению прочности связи слоев покрытия.The layout of the coating installation includes two composite cathodes containing titanium and a molybdenum insert located opposite each other and one composite cathode with a VT1-0 titanium alloy housing and an E-110 zirconium insert located between the first two cathodes. In the deposition of the upper layer, all three cathodes are used to obtain a TiMoZrN layer containing 7-8% zirconium, and in the deposition of the lower layer one cathode containing molybdenum is turned off. The use of complex nitride layers (TiMoZrN) as materials 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 increases the bond strength of the coating layers.

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 термодинамической устойчивости. 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. Для получения высокой прочности сцепления слоев в их состав входят одинаковые химические элементы. 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 composition of the coating leads to an increase in its hardness and wear resistance, as well as thermodynamic stability. 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. To obtain high adhesion strength of the layers, their composition includes the same chemical elements. 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 вакуумно-дуговыми испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. В качестве катодов испаряемого металла при нанесении нижнего слоя использовали один составной катод, содержащий титан и вставку из молибдена, а также один составной катод с корпусом из титанового сплава ВТ1-0, содержащий вставку из циркония Э-110. При нанесении верхнего слоя используют два катода, содержащих титан и молибден, и один составной катод с корпусом из титанового сплава ВТ1-0, содержащий вставку из циркония Э-110. 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 vacuum arc evaporators located horizontally in the same plane. As the cathodes of the evaporated metal when applying the lower layer, we used one composite cathode containing titanium and a molybdenum insert, as well as one composite cathode with a VT1-0 titanium alloy housing containing an E-110 zirconium insert. When applying the upper layer, two cathodes containing titanium and molybdenum, and one composite cathode with a housing made of titanium alloy VT1-0, containing an insert of zirconium E-110, are used. The coatings were applied after preliminary ion cleaning.

Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа (покрытие TiMoZrN- TiMoZrN толщиной 6 мкм).The following is a specific example of the proposed method (coating TiMoZrN-TiMoZrN 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 испарителя (катода) - один, содержащий титан и молибден, и один, содержащий титан и цирконий, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм 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 титан и молибден). В камеру подается реакционный газ (давление 4·10^-3 Па) - азот и осаждают второй слой покрытия 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 rotator 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 is reduced to 0.3 A, two evaporators (cathodes) are included — one containing titanium and molybdenum, and one containing titanium and zirconium, the reaction chamber is fed gas - nitrogen and deposit a coating with a thickness of 2.0 μm 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 titanium and molybdenum) is turned on. The reaction gas (pressure 4 · 10 ^-3 Pa) - nitrogen is fed into the chamber and the second coating layer is deposited with a thickness of 4.0 μm 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 при обработке конструкционной стали 30ХГСА. Испытывали твердосплавные пластины марки МК8, обработанные по известному и предлагаемому способам. Критерием износа служила фаска износа по задней поверхности шириной 0,4 мм.Durability tests were carried out on a 16K20 screw-cutting lathe when machining structural steel 30KhGSA. Tested carbide inserts grade MK8, processed according to the known and proposed methods. The wear criterion was a chamfer of wear along the back surface with a width of 0.4 mm.

Таблица 1
Результаты испытаний РИ с покрытиемTable 1
Coated RI Test Results № ппNo pp Материал покрытияCoating material Толщина слоев покрытия (нижний-верхний), мкмThe thickness of the coating layers (lower-upper), microns H_μ, ГПаH _μ , GPa К₀ K ₀ Стойкость, минResistance, min ПримечаниеNote 1one 22 33 4four 55 66 77 Обрабатываемый материал - 30ХГСА, V=200 м/мин, S=0,3 мм/об, t=1,5 ммThe processed material - 30KhGSA, V = 200 m / min, S = 0.3 mm / rev, t = 1.5 mm 1one TiNTiN 66 21,221,2 0,700.70 2929th АналогAnalogue 22 TiN-TiZrNTiN-TiZrN 2-42-4 32,032,0 0,550.55 6262 ПрототипPrototype 33 TiMoZrN-TiMoZrNTiMoZrN-TiMoZrN 2-42-4 36,036.0 0,330.33 125125 -- 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 табл.1 данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше стойкости пластин, обработанных по способу-прототипу, примерно в 2 раза.As can be seen from the data in table 1, the resistance of the plates processed by the proposed method is higher than the resistance of the plates processed by the prototype method by about 2 times.

Claims

A method for producing a multilayer coating for a cutting tool, comprising vacuum-plasma applying a two-layer coating, characterized in that titanium, molybdenum and zirconium nitride containing 24-25% zirconium are applied as a lower layer, and titanium, molybdenum nitride and zirconium containing 7-8% zirconium, while the coating is carried out using three cathodes located in a horizontal plane, of which two opposite contain titanium and molybdenum, and located between it the evaporator contains titanium and zirconium, moreover, when applying the upper layer, use a cathode containing titanium and zirconium, and two cathodes containing titanium and molybdenum, and when applying the lower layer, use a cathode containing titanium and zirconium, and one of the cathodes containing titanium and molybdenum .