RU2424366C1

RU2424366C1 - Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool

Info

Publication number: RU2424366C1
Application number: RU2010114704/02A
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: 2010-04-13
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2011-07-20

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: procedure consists in application of vacuum-plasma three-layer coating. Nitride of titanium and niobium is applied as a lower layer at pressure of nitrogen in the chamber of the installation 7.5·10^-4 Pa and temperature 600°C. The same nitride alloyed with silicon is applied as an intermediate layer at pressure of nitrogen in the chamber of the installation 7.5·10^-4 Pa and temperature 550°C. As an upper layer there is applied nitride of titanium and silicon at pressure of nitrogen in the chamber of the installation 4.3·10^-3 Pa and temperature 500°C. The lower layer is applied with thickness 40-50% of total thickness of coating, while total thickness of coating amounts to 5-8 mcm.

EFFECT: increased functionality of cutting tool (CT) and upgraded quality of treatment.

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 (TiCN) 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 (TiCN) 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 циркония TiZrN и верхнего слоя нитрида титана, циркония и хрома TiZrCrN (см. Патент на изобретение RU 2297473 C1, C23C 14/24, C23C 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 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°С наносят нитрид титана и ниобия, в качестве промежуточного слоя при давлении азота в камере установки 7,5·10^-4 Па и температуре 550°C наносят такой же нитрид, легированный кремнием, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 4,3·10^-3 Па и температуре 500°C наносят нитрид титана и кремния. 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 последующих слоев 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 кремния, катод из титана и сплавной катод из титана и ниобия. При осаждении нижнего слоя используются катоды из титана и титана-ниобия с целью получения слоя TiNbN, при осаждении промежуточного слоя используют все три катода, а при осаждении верхнего слоя катод, содержащий ниобий, отключают. Использование в качестве материалов слоев сложных нитридов с высокими остаточными сжимающими напряжениями способствует повышению трещиностойкости покрытия, кроме того, такие материалы имеют более низкую теплопроводность по сравнению с 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 vacuum-arc coating is applied. The feature of the proposed method lies in the fact that titanium and niobium nitride is 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, as an intermediate layer at a nitrogen pressure in the chamber of the apparatus 7.5 · 10 ^-4 Pa and a temperature of 550 ° C apply the same nitride doped with silicon, and titanium and silicon nitride are applied as the top layer at a nitrogen pressure in the chamber of the apparatus 4.3 · 10 ^-3 Pa and a temperature of 500 ° C. 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 the gas pressure during the deposition of subsequent layers can increase its microhardness and residual compressive stresses. The layout of the installation for coating includes one composite cathode with a housing made of titanium alloy VT1-0 and an insert of silicon, a cathode of titanium and an alloy cathode of titanium and niobium. In the deposition of the lower layer, titanium and titanium-niobium cathodes are used to obtain a TiNbN layer, in the deposition of the intermediate layer, all three cathodes are used, and in the deposition of the upper layer, the cathode containing niobium is turned off. The use of complex nitride layers with high residual compressive stresses as materials helps to increase the crack resistance of the coating; in addition, such materials have lower thermal conductivity compared to coatings of the type 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. The invention consists in the following.

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 конденсации, правда, при этом снижаются другие его эксплуатационные свойства (износостойкость и др.).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 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 condensation temperature, however, at the same time, its other operational properties (wear resistance, etc.) are reduced.

Поэтому целесообразно применение 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.Therefore, it is advisable to use a 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 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 (TiNbN) использовали два катода из титанового сплава ВТ1-0 и сплавной катод из титана и ниобия. При нанесении промежуточного слоя (TiNbSiN) используют указанные два катода плюс катод, содержащий корпус из титанового сплава ВТ1-0 со вставкой из кремния и расположенный между первыми катодами. При нанесении верхнего слоя использовали катод из титана и составной катод со вставкой из кремния. 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 optimum value specified in the known method, as well as a 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. Two cathodes made of titanium alloy VT1-0 and an alloy cathode made of titanium and niobium were used as cathodes of the evaporated metal when applying the lower layer (TiNbN). When applying an intermediate layer (TiNbSiN), these two cathodes are used plus a cathode containing a housing made of titanium alloy VT1-0 with a silicon insert and located between the first cathodes. When applying the upper layer, a titanium cathode and a composite cathode with a silicon insert were used. The coatings were applied after preliminary ion cleaning.

Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа (покрытие TiNbN-TiNbSiN-TiSiN толщиной 6 мкм).The following is a specific example of the proposed method (coating TiNbN-TiNbSiN-TiSiN 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 A производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°C. Ток фокусирующей катушки 0,4 A. Затем снижают отрицательное напряжение до 150 B, ток катушек до 0,35 A, включают два противоположных испарителя (катода) - из титана и титана-ниобия, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм (слой TiNbN) в течение 18 мин при давлении газа 7,5·10^-4 Па. Температура конденсации при этом 600°C. Затем при напряжении до 120 B, токе фокусирующих катушек до 0,25 A, включают третий катод (содержащий кремний). В камеру подается реакционный газ (давление 7,5·10^-4 Па) - азот и осаждают второй слой покрытия (TiNbSiN) толщиной 2,0 мкм в течение 18 мин. Температура конденсации при этом 550°C. Затем при напряжении до 120 B, токе фокусирующих катушек до 0,25 A, отключают катод из титана-ниобия. В камеру подается реакционный газ (давление 4,3·10^-4 Па) - азот и осаждают третий слой покрытия (TiSiN) толщиной 2,0 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 focusing coil current is 0.4 A. Then the negative voltage is reduced to 150 V, the coil current is reduced to 0.35 A, two opposite evaporators (cathodes) are made of titanium and titanium-niobium, reaction gas is supplied to the chamber nitrogen and the coating is deposited with a thickness 2.0 μm (TiNbN 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, the third cathode (containing silicon) is turned on. The reaction gas (pressure 7.5 · 10 ^-4 Pa) - nitrogen is fed into the chamber and the second coating layer (TiNbSiN) 2.0 μm thick is deposited for 18 minutes. The condensation temperature is 550 ° C. Then, with a voltage of up to 120 V, a current of focusing coils up to 0.25 A, the cathode of titanium-niobium is turned off. The reaction gas (pressure 4.3 · 10 ^-4 Pa) - nitrogen is fed into the chamber and the third coating layer (TiSiN) 2.0 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 (см. таблицу).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 on the rear surface with a width of 0.4 mm (see table).

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, 8=0,25 мм/об, t=1 ммThe processed material - 5XNM, V = 157 m / min, 8 = 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 TiNbN-TiNbSiN-TiSiNTiNbN-TiNbSiN-TiSiN 2-2-22-2-2 47,047.0 0,310.31 143143 В соответствии
с формулойAccording
with formula 4four TiNbN-TiNbSiN-TiSiNTiNbN-TiNbSiN-TiSiN 1-4-11-4-1 37,037.0 0,330.33 111111 Получены с отклонениями
толщиныReceived with deviations
thickness 55 TiNbN-TiNbSiN-TiSiNTiNbN-TiNbSiN-TiSiN 2-2-22-2-2 43,243,2 0,300.30 121121 При одинаковом давленииAt the same pressure 66 TiNbN-TiNbSiN-TiSiNTiNbN-TiNbSiN-TiSiN 2-2-22-2-2 45,645.6 0,330.33 120120 При одинаковой температуреAt the same temperature 1. H_µ - микротвердость, ГПа (по Виккерсу).
2. K₀ - коэффициент отслоения, уменьшение величины которого свидетельствует о росте прочности сцепления с инструментальной основой.1. H _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 таблице данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше стойкости пластин, обработанных по способу-прототипу, на 7-12%. При этом пп.4 иллюстрируют, что при нарушении требований по назначению толщин слоев стойкость пластин снижается. В пп.5 показано, что в случае применения покрытий со слоями, осажденными при одинаковом давлении газа, стойкость также снижается. В пп.6 показано, что в случае применения покрытий со слоями, осажденными при одинаковой температуре конденсации, 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 7-12%. Moreover, paragraphs 4 illustrate that in case of violation of the requirements for the appointment of layer thicknesses, the resistance of the plates decreases. In paragraph 5 it is shown that in the case of coatings with layers deposited at the same gas pressure, the resistance also decreases. In paragraph 6 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, including vacuum-plasma deposition of a three-layer coating, characterized in that titanium and niobium 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. , the same nitride doped with silicon is applied as an intermediate layer at a nitrogen pressure in the chamber of the apparatus 7.5 · 10 ^-4 Pa and a temperature of 550 ° C, and 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 are applied titanium nitride and silicon i.

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