RU2413786C1 - Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента - Google Patents
Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента Download PDFInfo
- Publication number
- RU2413786C1 RU2413786C1 RU2009141103/02A RU2009141103A RU2413786C1 RU 2413786 C1 RU2413786 C1 RU 2413786C1 RU 2009141103/02 A RU2009141103/02 A RU 2009141103/02A RU 2009141103 A RU2009141103 A RU 2009141103A RU 2413786 C1 RU2413786 C1 RU 2413786C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- carbonitride
- nitride
- coating
- layer
- Prior art date
Links
Landscapes
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Технический результат - повышение работоспособности инструмента и качества обработки. Согласно способу на рабочие поверхности режущего инструмента вакуумно-плазменным методом наносят двухслойное покрытие. При этом в качестве нижнего слоя наносят нитрид титана и молибдена, или нитрид титана и хрома, или нитрид титана и кремния, или нитрид титана и алюминия, или нитрид титана и ниобия, или нитрид титана и циркония. В качестве верхнего слоя наносят карбонитрид титана и молибдена, или карбонитрид титана и хрома, или карбонитрид титана и кремния, или карбонитрид титана и алюминия, или карбонитрид титана и ниобия, или карбонитрид титана и циркония, легированный железом. 1 з.п. ф-лы., 1 табл.
Description
Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.
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.
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 алюминия TiAlN и верхнего слоя нитрида титана, алюминия и циркония TiAlZrN (см. Патент на изобретение RU 2293794 С1, С23С 14/24, С23С 14/06. - 20.02.2007. - Бюл. № 5), принятый за прототип.
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. Также нитридные покрытия имеют относительно невысокую стойкость при работе с высокими скоростями резания. Кроме этого существующие многослойные покрытия недостаточно эффективно тормозят процессы трещинообразования при прерывистом точении и при точении с переменным припуском.
Повышение в последнее время стоимости металлорежущего инструмента и ужесточение требований к точности обрабатываемых деталей сделало еще более актуальной проблему повышения стойкости и производительности 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.
Технический результат - повышение работоспособности РИ и качества обработки.
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 верхнего слоя при давлении смеси газов (70% азота и 30% ацетилена) в камере установки 6,65·10-3 Па наносят карбонитрид титана и молибдена, или карбонитрид титана и хрома, или карбонитрид титана и кремния, или карбонитрид титана и алюминия, или карбонитрид титана и ниобия, или карбонитрид титана и циркония, легированный железом, а в качестве нижнего слоя при давлении азота в камере установки 7,5·10-4 Па наносят нитрид титана и молибдена, или нитрид титана и хрома, или нитрид титана и кремния, или нитрид титана и алюминия, или нитрид титана и ниобия, или нитрид титана и циркония. Применение нитридов в качестве верхнего слоя позволяет повысить прочность сцепления покрытия с основой, высокие остаточные сжимающие напряжения в верхнем слое тормозят трещинообразование, а чередование слоев переменной твердости препятствует росту трещин. Компоновка установки для нанесения покрытия включает один составной катод с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 и вставкой из железа и два составных катода с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 и вставкой из хрома, или молибдена, или ниобия, или циркония, или составной катод с алюминиевым корпусом и вставкой из ВТ1-0, или катод из сплава титана и кремния. При осаждении верхнего слоя используются все три катода с целью получения слоя TiCrFeCN, или TiMoFeCN, или TiNbFeCN, или TiZrFeCN, или TiAlFeCN, или TiSiFeCN, а при осаждении нижнего слоя катод, содержащий железо, отключают. Использование в качестве материалов слоев сложных карбонитридов (TiCrFeCN, или TiMoFeCN, или TiNbFeCN, или TiZrFeCN, или TiAlFeCN, или TiSiFeCN) с высокими остаточными сжимающими напряжениями способствует повышению трещиностойкости покрытия и прочности сцепления с инструментальной основой, кроме того, такие материалы имеют более низкую теплопроводность по сравнению покрытиями типа TiN, TiCN, TiAlN. 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.
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. Поэтому целесообразно применение двухслойного покрытия, в котором верхний слой должен обладать высокой износостойкостью, 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.
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 (TiCrN, или TiMoN, или TiNbN, или TiZrN, или TiAlN, или TiSiN) использовали два составных катода с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 со вставкой из хрома, или молибдена, или ниобия, или циркония, или составной катод с алюминиевым корпусом и вставкой из ВТ1-0, или катод из сплава титана и кремния. При нанесении верхнего слоя (TiCrFeCN, или TiMoFeCN, или TiNbFeCN, или TiZrFeCN, или TiAlFeCN, или TiSiFeCN) используют указанные два катода плюс катод, содержащий корпус из титанового сплава ВТ1-0 со вставкой из железа и расположенный между первыми катодами. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки.
Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа (покрытие TiCrN-TiCrFeCN толщиной 6 мкм).
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 100А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°С. Ток фокусирующей катушки 0,4А. Затем снижают отрицательное напряжение до 160В, ток катушек до 0,4А, включают два противоположных испарителя (катода) - составных (с хромовой вставкой), подают в камеру азот и осаждают покрытие толщиной 3,0 мкм (слой TiCrN) в течение 18 мин. Затем при напряжении до 160В, токе фокусирующих катушек до 0,4А включают третий катод (содержащий железо). В камеру подается смесь реакционных газов (70% азота и 30% ацетилена), и осаждают второй слой покрытия (TiCrFeCN) толщиной 3,0 мкм в течение 18 мин. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.
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.
Таблица 1 | ||||||
Результаты испытаний РИ с покрытием | ||||||
№ п/п |
Материал покрытия | Толщина слоев покрытия (нижний - верхний), мкм | Hµ, ГПа | К0 | Стойкость, мин | Примечание |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=250 м/мин, S=0,25 мм/об, t=1 мм | ||||||
1 | TiN | 6 | 21,2 | 0,70 | 38 | Аналог |
2 | TiAlN - TiAlZrCN | 2-4 | 36,1 | 0,33 | 95 | Прототип |
3 | TiCrN - TiCrFeCN | 3-3 | 36,7 | 0,31 | 127 | В соответствии с формулой |
4 | TiZrN - TiZrFeCN | 3-3 | 37,2 | 0,32 | 137 | |
5 | TiMoN - TiMoFeCN | 3-3 | 36,9 | 0,32 | 133 | |
6 | TiAlN - TiAlFeCN | 3-3 | 36,9 | 0,30 | 138 | |
7 | TiSiN - TiSiFeCN | 3-3 | 36,7 | 0,31 | 135 | |
8 | TiNbN - TiNbFeCN | 3-3 | 36,5 | 0,29 | 126 |
Продолжение табл. | ||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
9 | TiCrN - TiCrFeCN | 4-2 | 35,7 | 0,35 | 118 | Получены с отклонениями толщины |
10 | TiZrN - TiZrFeCN | 4-2 | 36,1 | 0,37 | 112 | |
11 | TiMoN - TiMoFeCN | 4-2 | 34,5 | 0,40 | 112 | |
12 | TiAlN - TiAlFeCN | 4-2 | 35,9 | 0,35 | 117 | |
13 | TiSiN - TiSiFeCN | 4-2 | 36,8 | 0,37 | 114 | |
14 | TiNbN - TiNbFeCN | 4-2 | 34,7 | 0,40 | 113 | |
15 | TiCrN - TiCrFeCN | 3-3 | 36,2 | 0,38 | 118 | При одинаковом давлении |
16 | TiZrN - TiZrFeCN | 3-3 | 35,8 | 0,36 | 121 | |
17 | TiMoN - TiMoFeCN | 3-3 | 36,2 | 0,37 | 119 | |
18 | TiAlN - TiAlFeCN | 3-3 | 36,2 | 0,38 | 118 | |
19 | TiSiN - TiSiFeCN | 3-3 | 35,8 | 0,36 | 122 | |
20 | TiNbN - TiNbFeCN | 3-3 | 36,2 | 0,37 | 120 | |
21 | TiCrN - TiCrFeCN | 3-3 | 36,2 | 0,41 | 110 | При одинаковой температуре |
22 | TiZrN - TiZrFeCN | 3-3 | 36,1 | 0,42 | 113 | |
23 | TiMoN - TiMoFeCN | 3-3 | 36,0 | 0,45 | 120 | |
24 | TiAlN - TiAlFeCN | 3-3 | 36,5 | 0,41 | 110 | |
25 | TiSiN - TiSiFeCN | 3-3 | 36,3 | 0,42 | 113 | |
26 | TiNbN - TiNbFeCN | 3-3 | 35,9 | 0,45 | 120 | |
1. Нµ - микротвердость, ГПа (по Виккерсу). 2. К0 - коэффициент отслоения, уменьшение величины которого свидетельствует о росте прочности сцепления с инструментальной основой. |
Как видно из приведенных в табл.1 данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше стойкости пластин, обработанных по способу-прототипу, на 32-45%. При этом пп.9-14 иллюстрируют, что при нарушении требований по назначению толщин слоев стойкость пластин снижается. В пп.15-20 показано, что в случае применения покрытий со слоями, осажденными при одинаковом давлении газа, стойкость также снижается. В пп.21-26 показано, что в случае применения покрытий со слоями, осажденными при одинаковой температуре конденсации, стойкость также снижается.
Claims (2)
1. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение двухслойного покрытия, отличающийся тем, что в качестве нижнего слоя наносят нитрид титана и молибдена или нитрид титана и хрома, или нитрид титана и кремния, или нитрид титана и алюминия, или нитрид титана и ниобия, или нитрид титана и циркония, а в качестве верхнего слоя наносят карбонитрид титана и молибдена, или карбонитрид титана и хрома, или карбонитрид титана и кремния, или карбонитрид титана и алюминия, или карбонитрид титана и ниобия, или карбонитрид титана и циркония, легированный железом.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в двухслойном покрытии наносят нижний слой толщиной 40-50% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет 5-8 мкм.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009141103/02A RU2413786C1 (ru) | 2009-11-06 | 2009-11-06 | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009141103/02A RU2413786C1 (ru) | 2009-11-06 | 2009-11-06 | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2413786C1 true RU2413786C1 (ru) | 2011-03-10 |
Family
ID=46311138
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009141103/02A RU2413786C1 (ru) | 2009-11-06 | 2009-11-06 | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2413786C1 (ru) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2461652C1 (ru) * | 2011-05-17 | 2012-09-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
RU2461654C1 (ru) * | 2011-05-17 | 2012-09-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
RU2464346C1 (ru) * | 2011-05-20 | 2012-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
RU2464347C1 (ru) * | 2011-05-20 | 2012-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
RU2465370C1 (ru) * | 2011-05-20 | 2012-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
RU2495955C1 (ru) * | 2012-06-26 | 2013-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
RU2538057C1 (ru) * | 2013-07-12 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
-
2009
- 2009-11-06 RU RU2009141103/02A patent/RU2413786C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2461652C1 (ru) * | 2011-05-17 | 2012-09-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
RU2461654C1 (ru) * | 2011-05-17 | 2012-09-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
RU2464346C1 (ru) * | 2011-05-20 | 2012-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
RU2464347C1 (ru) * | 2011-05-20 | 2012-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
RU2465370C1 (ru) * | 2011-05-20 | 2012-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
RU2495955C1 (ru) * | 2012-06-26 | 2013-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
RU2538057C1 (ru) * | 2013-07-12 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2413786C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2414530C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2414531C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2430988C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2402634C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2414533C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2410466C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2414532C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2414542C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2414539C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2414528C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2424366C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2428509C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2414538C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2414544C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2414527C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2424365C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2424363C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2413788C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2413787C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2414537C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2414540C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2414535C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2414541C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2430989C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20111107 |