RU2430990C1 - Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool - Google Patents

Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool Download PDF

Info

Publication number
RU2430990C1
RU2430990C1 RU2010114885/02A RU2010114885A RU2430990C1 RU 2430990 C1 RU2430990 C1 RU 2430990C1 RU 2010114885/02 A RU2010114885/02 A RU 2010114885/02A RU 2010114885 A RU2010114885 A RU 2010114885A RU 2430990 C1 RU2430990 C1 RU 2430990C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coating
layer
chamber
temperature
titanium
Prior art date
Application number
RU2010114885/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
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
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет"
Priority to RU2010114885/02A priority Critical patent/RU2430990C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2430990C1 publication Critical patent/RU2430990C1/en

Links

Landscapes

  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: three-layer coating is applied on working surfaces of cutting tool by vacuum-plasma-procedure. Nitride of titanium and zirconium is applied as a lower layer at pressure of nitrogen in a chamber of the installation 7.5·10-4 Pa and temperature 600°C. The same nitride alloyed with chromium 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 and nitride of titanium and chromium is applied as an upper layer at pressure of nitrogen in the chamber of the installation 4.3·10-3 Pa and temperature 500°C.
EFFECT: increased functionality of cutting tool and quality of processing.
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 (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 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 for the 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 трехслойное покрытие. Особенность заявляемого способа заключается в том, что в качестве нижнего слоя при давлении азота в камере установки 7,5·10-4 Па и температуре 600°С наносят нитрид титана и циркония, в качестве промежуточного слоя при давлении азота в камере установки 7,5·10-4 Па и температуре 550°С наносят такой же нитрид, легированный хромом, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 4,3·10-3 Па и температуре 500°С наносят нитрид титана и хрома. 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 хрома и один катод из титана и один катод из циркония. При осаждении нижнего слоя используются катоды из титана и циркония с целью получения слоя TiZrN, при осаждении промежуточного слоя используют все три катода, а при осаждении верхнего слоя катод, содержащий цирконий, 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 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 method is applied to a three-layer coating. The feature of the proposed method lies in the fact that titanium and zirconium 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 chromium, and titanium and chromium nitride are 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. 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 coating installation includes one composite cathode with a VT1-0 titanium alloy housing and a chromium insert and one titanium cathode and one zirconium cathode. In the deposition of the lower layer, titanium and zirconium cathodes are used to obtain a TiZrN layer, in the deposition of the intermediate layer, all three cathodes are used, and in the deposition of the upper layer, the cathode containing zirconium is turned off. The use of complex nitride layers with high residual compressive stresses as materials contributes to an increase in crack resistance of the coating; moreover, such materials have lower thermal conductivity as 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. 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.). Поэтому целесообразно применение трехслойного 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 condensation temperature, although at the same time its other operational properties (wear resistance, etc.) are reduced. Therefore, it is advisable to use a three-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 трехслойное 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 (TiZrN) использовали два катода из титанового сплава ВТ1-0 и циркония. При нанесении промежуточного слоя (TiZrCrN) используют указанные два катода плюс катод, содержащий корпус из титанового сплава ВТ1-0 со вставкой из хрома и расположенный между первыми катодами. При нанесении верхнего слоя использовали катод из титана и составной катод со вставкой из хрома. 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 three-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. Two cathodes made of titanium alloy VT1-0 and zirconium were used as cathodes of the evaporated metal when applying the lower layer (TiZrN). When applying an intermediate layer (TiZrCrN), these two cathodes are used plus a cathode containing a housing made of titanium alloy VT1-0 with a chromium insert and located between the first cathodes. When applying the upper layer, a titanium cathode and a composite cathode with a chromium insert were used. The coatings were applied after preliminary ion cleaning.

Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа (покрытие TiZrN-TiZrCrN-TiCrN толщиной 6 мкм).The following is a specific example of the proposed method (coating TiZrN-TiZrCrN-TiCrN 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 150 В, ток катушек до 0,35 А, включают два противоположных испарителя (катода) - из титана и циркония, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм (слой TiZrN) в течение 18 мин при давлении газа 7,5·10-4 Па. Температура конденсации при этом 600°С. Затем при напряжении до 120 В, токе фокусирующих катушек до 0,25 А, включают третий катод (содержащий хром). В камеру подается реакционный газ (давление 7,5·10-4 Па) - азот и осаждают второй слой покрытия (TiZrCrN) толщиной 2,0 мкм в течение 18 мин. Температура конденсации при этом 550°С. Затем при напряжении до 120 В, токе фокусирующих катушек до 0,25 А, отключают катод, содержащий цирконий. В камеру подается реакционный газ (давление 4,3·10-4 Па) - азот и осаждают третий слой покрытия (TiCrN) толщиной 2,0 мкм в течение 18 мин. Температура конденсации при этом 500°С. 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 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) are made of titanium and zirconium, reaction gas - nitrogen is fed into the chamber and a coating 2 is deposited, 0 μm (TiZrN 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 chromium) is turned on. Reaction gas (pressure 7.5 · 10 -4 Pa) - nitrogen is fed into the chamber and a second coating layer (TiZrCrN) 2.0 μm thick is deposited for 18 minutes. The condensation temperature is 550 ° C. Then, at voltages up to 120 V, current focusing coils up to 0.25 A, the cathode containing zirconium is turned off. The reaction gas (pressure 4.3 · 10 -4 Pa) - nitrogen is fed into the chamber and the third coating layer (TiCrN) 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.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.

Figure 00000001
Figure 00000001

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.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 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 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)

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий нанесение трехслойного покрытия вакуумно-дуговым методом, отличающийся тем, что в качестве нижнего слоя при давлении азота в камере установки 7,5·10-4 Па и температуре 600°С наносят нитрид титана и циркония, в качестве промежуточного слоя при давлении азота в камере установки 7,5·10-4 Па и температуре 550°С наносят такой же нитрид, легированный хромом, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 4,3·10-3 Па и температуре 500°С наносят нитрид титана и хрома. A method for producing a multilayer coating for a cutting tool, including applying a three-layer coating by a vacuum-arc method, characterized in that titanium and zirconium 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 chromium 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 at a temperature of 500 ° C apply titanium nitride and XP ma.
RU2010114885/02A 2010-04-13 2010-04-13 Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool RU2430990C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010114885/02A RU2430990C1 (en) 2010-04-13 2010-04-13 Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010114885/02A RU2430990C1 (en) 2010-04-13 2010-04-13 Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2430990C1 true RU2430990C1 (en) 2011-10-10

Family

ID=44805090

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010114885/02A RU2430990C1 (en) 2010-04-13 2010-04-13 Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2430990C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2414530C1 (en) Procedure for cutting tool multi-layer coating
RU2430988C1 (en) Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool
RU2402634C1 (en) Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool
RU2410466C1 (en) Method of producing multi-layer coat for cutting tool
RU2414533C1 (en) Procedure for cutting tool multi-layer coating
RU2424358C1 (en) Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool
RU2414532C1 (en) Procedure for cutting tool multi-layer coating
RU2428509C1 (en) Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool
RU2424366C1 (en) Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool
RU2414528C1 (en) Procedure for cutting tool multi-layer coating
RU2414542C1 (en) Procedure for cutting tool multi-layer coating
RU2414539C1 (en) Procedure for cutting tool multi-layer coating
RU2430990C1 (en) Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool
RU2424365C1 (en) Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool
RU2424363C1 (en) Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool
RU2428507C1 (en) Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool
RU2414527C1 (en) Procedure for cutting tool multi-layer coating
RU2414544C1 (en) Procedure for cutting tool multi-layer coating
RU2414538C1 (en) Procedure for cutting tool multi-layer coating
RU2424356C1 (en) Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool
RU2421541C1 (en) Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool
RU2421542C1 (en) Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool
RU2424364C1 (en) Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool
RU2424362C1 (en) Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool
RU2424355C1 (en) Procedure for production of multi-layer coating for cutting tool

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120414