RU2414534C1

RU2414534C1 - Procedure for cutting tool multi-layer coating

Info

Publication number: RU2414534C1
Application number: RU2009141111/02A
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: 2011-03-20

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: two-layer coating is applied on working surfaces of cutting tool by vacuum-plasma procedure. As a lower layer there is applied titanium and molybdenum carbonitride, or titanium and chromium carbonitride, or titanium and niobium carbonitride. As an upper layer there is applied titanium and molybdenum nitride or titanium and chromium nitride, or titanium and niobium nitride alloyed with silicon.

EFFECT: increased functionality of cutting tool and upgraded 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 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, 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 алюминия TiAlN и верхнего слоя нитрида титана, алюминия и кремния TiAlSiN (см. Патент на изобретение RU 2293793 С1, С23С 14/24, С23С 14/06. - 20.02.2007. - Бюл. №5.), 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 aluminum TiAlN and an upper layer of titanium nitride, aluminum and silicon TiAlSiN (see Patent for invention RU 2293793 C1, C23C 14/24, C23C 14/06. - 02.20.2007. - Bull. No. 5.), 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 имеет относительно небольшую эффективность при фрезеровании. 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 has a relatively low milling efficiency. 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 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.Recently, the increase in the cost of metal-cutting tools and the tightening of requirements for the accuracy of machined parts have made the problem of increasing the resistance and productivity 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 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 ниобия, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 7,5·10^-4 Па наносят такой же карбонитрид, легированный кремнием. Применение карбонитридов в качестве нижнего 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 из сплава титана и кремния и два составных катода с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 и вставкой из молибдена или хрома, или ниобия. При осаждении верхнего слоя используются все три катода с целью получения слоя TiMoSiN или TiCrSiN или TiNbSiN, а при осаждении нижнего слоя катод, содержащий кремний, отключают. Использование в качестве материалов слоев сложных карбонитридов (TiMoSiCN или TiCrSiCN или TiNbSiCN) 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.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 as the lower layer at a pressure of a mixture of gases (70% nitrogen and 30% acetylene), titanium and molybdenum carbonitride or titanium and chromium carbonitride or titanium carbonitride are deposited in the installation chamber of 6.65 · 10 ^-3 Pa and niobium, and as the upper layer at nitrogen pressure in the chamber of the apparatus 7.5 · 10 ^-4 Pa apply the same silicon doped carbonitride. The use of carbonitrides as the lower layer improves the adhesion of the coating to the base, high residual compressive stresses in the upper layer inhibit crack formation, and the alternation of layers of variable hardness prevents the growth of cracks. The layout of the coating installation includes one composite cathode of an alloy of titanium and silicon and two composite cathodes with a housing of titanium alloy VT1-0 and an insert of molybdenum or chromium, or niobium. In the deposition of the upper layer, all three cathodes are used to obtain a TiMoSiN or TiCrSiN or TiNbSiN layer, and when the lower layer is deposited, the cathode containing silicon is turned off. The use of complex carbonitride layers (TiMoSiCN or TiCrSiCN or TiNbSiCN) with high residual compressive stresses as materials helps to increase the crack resistance of the coating and the adhesion to the tool base, in addition, such materials have lower thermal conductivity compared to coatings such as TiN, TiCN, TiAlN. 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. 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. Применение карбонитридов позволяет повысить работоспособность РИ с покрытием при работе с высокими скоростями резания. 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. Therefore, it is advisable to use a two-layer coating, in which the upper layer must have high wear resistance, and the lower one must first provide high adhesion to the tool base. The use of carbonitrides can improve the performance of RI coated when working with high cutting speeds. 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, 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 (TiMoCN или TiCrCN или TiNbCN) использовали два составных катода с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 со вставкой из молибдена или хрома или ниобия. При нанесении верхнего слоя (TiMoSiN или TiCrSiN или TiNbSiN) используют указанные два катода плюс составной катод из сплава титана и кремния, 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 vacuum arc evaporators located horizontally in the same plane. As the cathodes of the evaporated metal when applying the lower layer (TiMoCN or TiCrCN or TiNbCN), two composite cathodes with a housing made of titanium alloy VT1-0 with an insert made of molybdenum or chromium or niobium were used. When applying the upper layer (TiMoSiN or TiCrSiN or TiNbSiN), these two cathodes are used plus a composite titanium-silicon alloy cathode located between the first cathodes. The coatings were applied after preliminary ion cleaning.

Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа (покрытие TiMoCN-TiMoSiN толщиной 6 мкм).The following is a specific example of the proposed method (coating TiMoCN-TiMoSiN 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 160 В, ток катушек до 0,4 А, включают два противоположных испарителя (катода) - составных (с молибденовой вставкой), подают в камеру смесь реакционных газов (70% азота и 30% ацетилена) и осаждают покрытие толщиной 3,0 мкм (слой TiMoCN) в течение 18 мин. Затем при напряжении до 160 В, токе фокусирующих катушек до 0,4 А включают третий катод (содержащий кремний). В камеру подается азот и осаждают второй слой покрытия (TiMoSiN) 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.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 160 V, the coil current is up to 0.4 A, two opposite evaporators (cathodes) are included - composite (with a molybdenum insert), a mixture of reaction gases (70% nitrogen and 30% acetylene) and deposit a coating with a thickness of 3.0 μm (TiMoCN layer) for 18 minutes. Then, at voltages up to 160 V, current focusing coils up to 0.4 A, a third cathode (containing silicon) is turned on. Nitrogen is introduced into the chamber and a second coating layer (TiMoSiN) 3.0 microns thick is deposited for 18 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 горизонтально-фрезерном станке 6Н81 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 6H81 horizontal milling machine 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 Н_µ, ГПаN _µ , GPa K₀ K ₀ Стойкость, минResistance, min ПримечаниеNote 1one 22 33 4four 55 66 77 Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=250 м/мин, S=0,25 мм/зуб, t=1 ммThe processed material - 5XNM, V = 250 m / min, S = 0.25 mm / tooth, t = 1 mm 1one TiNTiN 66 21,221,2 0,700.70 3838 АналогAnalogue 22 TiAlN - TiAlSiNTiAlN - TiAlSiN 2-42-4 36,336.3 0,310.31 9898 ПрототипPrototype 33 TiMoCN - TiMoSiNTiMoCN - TiMoSiN 3-33-3 38,138.1 0,320.32 135135 В соответствии с формулойAccording to the formula 4four TiCrCN - TiCrSiNTiCrCN - TiCrSiN 3-33-3 37,237,2 0,290.29 140140 55 TiNbCN - TiNbSiNTiNbCN - TiNbSiN 3-33-3 36,936.9 0,310.31 138138 66 TiMoCN - TiMoSiNTiMoCN - TiMoSiN 4-24-2 36,736.7 0,350.35 120120 Получены с отклонениями толщиныReceived with thickness deviations 77 TiCrCN - TiCrSiNTiCrCN - TiCrSiN 4-24-2 36,136.1 0,370.37 119119 88 TiNbCN - TiNbSiNTiNbCN - TiNbSiN 4-24-2 35,535.5 0,400.40 122122 99 TiMoCN - TiMoSiNTiMoCN - TiMoSiN 3-33-3 36,736.7 0,380.38 119119 При одинаковом давленииAt the same pressure 1010 TiCrCN - TiCrSiNTiCrCN - TiCrSiN 3-33-3 36,936.9 0,360.36 120120 11eleven TiNbCN - TiNbSiNTiNbCN - TiNbSiN 3-33-3 36,936.9 0,370.37 118118 1212 TiMoCN - TiMoSiNTiMoCN - TiMoSiN 3-33-3 36,936.9 0,410.41 119119 При одинаковой температуреAt the same temperature 1313 TiCrCN - TiCrSiNTiCrCN - TiCrSiN 3-33-3 36,936.9 0,420.42 118118 14fourteen TiNbCN - TiNbSiNTiNbCN - TiNbSiN 3-33-3 35,935.9 0,450.45 120120 1. Н_µ - микротвердость, ГПа (по Виккерсу).
2. K₀ - коэффициент отслоения, уменьшение величины которого свидетельствует о росте прочности сцепления с инструментальной основой.1. N _µ - microhardness, GPa (according to Vickers).
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 38-43%. 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. В пп.12-14 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 38-43%. 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. In paragraphs 12-14 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 carbonitride, or titanium and chromium carbonitride, or titanium and niobium carbonitride are applied as the lower layer, and applied as the upper layer titanium and molybdenum nitride; or titanium and chromium nitride; or titanium and niobium nitride doped with silicon.

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.