RU2410464C1

RU2410464C1 - Method of producing multi-layer coat for cutting tool

Info

Publication number: RU2410464C1
Application number: RU2009141115/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Табаков (RU); Владимир Петрович Табаков; Алексей Валерьевич Циркин (RU); Алексей Валерьевич Циркин; Максим Юрьевич Смирнов (RU); Максим Юрьевич Смирнов; Дамир Ильдарович Сагитов (RU); Дамир Ильдарович Сагитов
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2011-01-27

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to method of applying wear resistant coats on cutting tools and can be used machine building. Vacuum plasma method is used to apply two-layer coat on cutting tool working surface. Titanium and molybdenum nitride or titanium and niobium nitride are applied as lower layer in installation chamber at nitrogen pressure of 7.5·10^-4 Pa and 600°C. The same nitride, chromium-doped, is applied as upper layer at nitrogen pressure of 4.3·10^-3 Pa and 500°C.

EFFECT: higher serviceability and quality of processing.

2 cl, 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 nitrides and titanium 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, cracks quickly nucleate 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 и циркония TiZrN и верхнего слоя нитрида титана, циркония и хрома TiZrCrN (см. Патент на изобретение RU 2297473 C1 C23C 14/24, С23С 14/06. - 20.04.2007. - Бюл. №11), 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 and zirconium TiZrN and an upper layer of titanium nitride, zirconium and chromium TiZrCrN (see Patent for invention RU 2297473 C1 C23C 14/24, C23C 14/06. - 04/20/2007. - Bull. No. 11), 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 остаточные напряжения и высокую теплопроводность. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам трещинообразования и практически не препятствует проникновению тепла вглубь инструмента.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 residual stresses and high thermal conductivity. As a result, the coating poorly resists cracking processes and practically does not prevent the penetration of heat into the instrument.

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. Ползучесть, в свою очередь, вызвана проникновением тепла, образующегося при резании и трении стружки о поверхности инструмента, вглубь инструмента. 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.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 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. Creep, in turn, is caused by the penetration of heat generated during cutting and friction of the chips on the surface of the tool into the instrument. 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.

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 7,5·10^-4Па и температуре 600°C наносят нитрид титана и молибдена или нитрид титана и ниобия, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 4,3·10^-3 Па и температуре 500°C наносят такой же нитрид, легированный хромом. Осаждение нижнего слоя покрытия при пониженном давлении газа и повышенной температуре позволяет получить более высокую прочность сцепления покрытия с инструментальной основой, а снижение температуры и увеличение давления газа при осаждении верхнего слоя позволяет увеличить его микротвердость и остаточные сжимающие напряжения. Компоновка установки для нанесения покрытия включает один составной катод с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 и вставкой из хрома и два составных катода с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 и вставкой из молибдена или ниобия. При осаждении верхнего слоя используются все три катода с целью получения слоя TiMoCrN или TiNbCrN, а при осаждении нижнего слоя катод, содержащий хром, отключают. Использование в качестве материалов слоев сложных нитридов (TiMoCrN или TiNbCrN) с высокими остаточными сжимающими напряжениями способствует повышению трещиностойкости покрытия, кроме того, такие материалы имеют более низкую теплопроводность по сравнению с покрытиями типа TiN, TiCN, TiAIN. При этом в зависимости от области использования инструмента с покрытием, его общая толщина может колебаться в пределах от 5 до 8 мкм, а доля нижнего слоя составлять 40-50% 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. The feature of the proposed method lies in the fact that titanium and molybdenum nitride or titanium and niobium nitride are applied as a lower layer at a nitrogen pressure in the installation chamber of 7.5 · 10 ^-4 Pa and a temperature of 600 ° C, and as a top layer at a nitrogen pressure in the apparatus chamber 4.3 · 10 ^-3 Pa and a temperature of 500 ° C, the same chromium doped nitride is applied. The deposition of the lower coating layer under reduced gas pressure and elevated temperature makes it possible to obtain a higher adhesion strength of the coating to the tool base, and lowering the temperature and increasing gas pressure during deposition of the upper layer can increase its microhardness and residual compressive stresses. The layout of the coating installation includes one composite cathode with a VT1-0 titanium alloy body and a chromium insert and two composite cathodes with a VT1-0 titanium alloy body and a molybdenum or niobium insert. In the deposition of the upper layer, all three cathodes are used to obtain a TiMoCrN or TiNbCrN layer, and in the deposition of the lower layer, the cathode containing chromium is turned off. The use of complex nitride layers (TiMoCrN or TiNbCrN) with high residual compressive stresses as materials contributes to an increase in the crack resistance of the coating; moreover, such materials have lower thermal conductivity compared to coatings of the type TiN, TiCN, TiAIN. Moreover, depending on the area of use of the coated tool, its total thickness can range from 5 to 8 microns, and the proportion of the lower layer can be 40-50% of the total coating thickness.

Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе резания РИ работает в условиях трещинообразования, а также воздействия высоких температур. 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 и увеличения температуры кондесации, 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 5 до 8 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 in conditions of crack formation, as well as exposure to high temperatures. 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 strength 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 and increasing the temperature of condensation, although 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 5 to 8 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, соответствующим 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 (TiMoN или TiNbN) использовали два составных катода с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 со вставкой из молибдена или ниобия. При нанесении верхнего слоя (TiMoCrN или TiNbCrN) используют указанные два катода плюс катод, содержащий корпус из титанового сплава ВТ1-0 со вставкой 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. 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 during deposition of the lower layer (TiMoN or TiNbN), two composite cathodes with a housing made of titanium alloy VT1-0 with an insert made of molybdenum or niobium were used. When applying the top layer (TiMoCrN or TiNbCrN), these two cathodes are used plus a cathode containing a VT1-0 titanium alloy housing with a chromium insert and located between the first cathodes. The coatings were applied after preliminary ion cleaning.

Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа (покрытие TiMoN-TiMoCrN толщиной 6 мкм).The following is a specific example of the proposed method (coating TiMoN-TiMoCrN 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°C. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем снижают отрицательное напряжение до 150 В, ток катушек до 0,35 А, включают два противоположных испарителя (катода) - составных (с молибденовой вставкой), подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной 3,0 мкм (слой TiMoN) в течение 18 мин при давлении газа 7,5·10^-4 Па. Температура конденсации при этом 600°C. Затем при напряжении до 120 В, токе фокусирующих катушек до 0,25 А включают третий катод (содержащий хром). В камеру подается реакционный газ (давление 4,3·10^-3 Па) - азот и осаждают второй слой покрытия (TiMoCrN) толщиной 3,0 мкм в течение 18 мин. Температура конденсации при этом 500°C. 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 current of the focusing coil is 0.4 A. Then the negative voltage is reduced to 150 V, the current of the coils is up to 0.35 A, two opposite evaporators (cathodes) - composite (with a molybdenum insert) are turned on, reaction gas - nitrogen is fed into the chamber and the coating is deposited with a thickness 3.0 μm (TiMoN layer) for 18 min at a gas pressure of 7.5 · 10 ^-4 Pa. The condensation temperature is 600 ° C. Then, at voltages up to 120 V, current focusing coils up to 0.25 A, a third cathode (containing chromium) is turned on. The reaction gas (pressure 4.3 · 10 ^-3 Pa) - nitrogen is fed into the chamber and the second coating layer (TiMoCrN) 3.0 μm thick is deposited for 18 minutes. The condensation temperature is 500 ° C. 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 5ХНМ. 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 screw-cutting machine 16K20 when machining structural steel 5XHM. 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 1Table 1 Результаты испытаний РИ с покрытиемCoated 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 K₀ K ₀ Стойкость, минResistance, min ПримечаниеNote 1one 22 33 4four 55 66 77 Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=157 м/мин, S=0,25 MM/oб, 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 TiZrN-TiZrCrNTiZrN-TiZrCrN 2-42-4 36,136.1 0,330.33 117117 ПрототипPrototype 33 TiMoN-TiMoCrNTiMoN-TiMoCrN 3-33-3 36,936.9 0,310.31 127127 В соответствии с формулойAccording to the formula 4four TiNbN-TiNbCrNTiNbN-TiNbCrN 3-33-3 36,336.3 0,320.32 131131 55 TiMoN-TiMoCrNTiMoN-TiMoCrN 4-24-2 35,635.6 0,350.35 110110 Получены с отклонениями толщиныReceived with thickness deviations 66 TiNbN-TiNbCrNTiNbN-TiNbCrN 4-24-2 34,334.3 0,400.40 102102 77 TiMoN-TiMoCrNTiMoN-TiMoCrN 3-33-3 36,236,2 0,380.38 118118 При одинаковом давленииAt the same pressure 88 TiNbN-TiNbCrNTiNbN-TiNbCrN 3-33-3 36,236,2 0,370.37 118118 99 TiMoN-TiMoCrNTiMoN-TiMoCrN 3-33-3 36,036.0 0,410.41 110110 При одинаковой температуреAt the same temperature 1010 TiNbN-TiNbCrNTiNbN-TiNbCrN 3-33-3 35,935.9 0,450.45 120120 1. H_µ - микротвердость, ГПа (по Виккерсу).1. H _µ - microhardness, GPa (according to Vickers). 2. K₀ - коэффициент отслоения, уменьшение величины которого свидетельствует о росте прочности сцепления с инструментальной основой.2. K ₀ - peeling coefficient, a decrease in the value of which indicates an increase in 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 на 7-12%. При этом пп.5-6 иллюстрируют, что при нарушении требований по назначению толщин слоев стойкость пластин снижается. В пп.7-8 показано, что в случае применения покрытий со слоями, осажденными при одинаковом давлении газа, стойкость также снижается. В пп.9-10 показано, что в случае применения покрытий со слоями, осажденными при одинаковой температуре конденсации, стойкость также снижается.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 7-12%. Moreover, paragraphs 5-6 illustrate that in case of violation of the requirements for the appointment of layer thicknesses, the resistance of the plates decreases. In paragraphs 7-8, it is shown that in the case of coatings with layers deposited at the same gas pressure, the resistance also decreases. In paragraphs 9-10 it is shown that in the case of coatings with layers deposited at the same condensation temperature, the resistance also decreases.

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 molybdenum nitride are applied as a lower layer at a nitrogen pressure in the chamber of the apparatus 7.5 · 10 ^-4 Pa and a temperature of 600 ° C. or titanium and niobium nitride, and the same layer is applied as the upper layer at a nitrogen pressure in the chamber of the apparatus 4.3 · 10 ^-3 Pa and a temperature of 500 ° C, doped with chromium.

2. The method according to claim 1, characterized in that in the two-layer coating, a lower layer is applied with a thickness of 40-50% of the total coating thickness, and the total coating thickness is 5-8 microns.