RU2461653C1

RU2461653C1 - Method of making multilayer coating for cutting tool

Info

Publication number: RU2461653C1
Application number: RU2011119859/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Табаков (RU); Владимир Петрович Табаков; Алексей Валерьевич Чихранов (RU); Алексей Валерьевич Чихранов; Станислав Николаевич Власов (RU); Станислав Николаевич Власов; Максим Юрьевич Смирнов (RU); Максим Юрьевич Смирнов; Александр Александрович Романов (RU); Александр Александрович Романов
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2012-09-20

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: lower layer from nitride or carnonitride of titanium, niobium and silicon is deposited at the ratio in wt %: titanium - 91.15-95.35, niobium - 4.0-8.0, silicon - 0.65-0.85, while intermediate layer of said components is deposited at the ratio of, in wt %: titanium - 87.15-91.35, niobium - 8.0-12.0, silicon - 0.65-0.85, and top layer is deposited at the ratio of, in wt %: titanium 90.0-94.0, niobium 6.0-10.0. Coat layers are applied horizontally in one plane by three cathodes, first and second being made composed of titanium and aluminium and arranged in opposition. Third composite cathode is made of titanium and zirconium and arranged there between. Bottom layer is applied using first and third cathodes, intermediate layer is produced by second and third cathodes while top layer is made by first and second cathodes.

EFFECT: higher wear resistance.

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 повышения стойкости режущего инструмента (РИ), при котором на его поверхность вакуумно-плазменным методом наносят износостойкое покрытие (ИП) 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. 123 с.).There is a method of increasing the resistance of a cutting tool (RI), in which a wear-resistant coating (PI) of titanium nitride (TiN) or titanium carbonitride (TiCN) is applied on its surface using a vacuum-plasma method (see Tabakov V.P. Performance of a cutting tool with wear-resistant coatings based on complex nitrides and titanium carbonitrides. Ulyanovsk: UlSTU, 1998. 123 p.).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе наносимое покрытие не обеспечивает такой же высокой эффективности при работе режущего инструмента с этим покрытием в условиях прерывистого резания, в частности, при фрезеровании, как при непрерывном резании.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, the applied coating does not provide the same high efficiency when the cutting tool is used with this coating under intermittent cutting conditions, in particular during milling, as during continuous cutting.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ нанесения многослойного покрытия, раскрытый в описании к патенту на изобретение RU 2269605 С1, принятый за прототип.The closest method of the same purpose to the claimed invention in terms of features is the method of applying a multilayer coating, disclosed in the description of the patent for invention RU 2269605 C1, adopted as a prototype.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного режущего инструмента с покрытием, принятого за прототип, относится то, что в известном способе многослойное покрытие обладает недостаточной твердостью, а следовательно, трещиностойкостью. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам износа и разрушения и быстро разрушается при резании.For reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using a known cutting tool with a coating adopted as a prototype, the multilayer coating in the known method has insufficient hardness and, therefore, crack resistance. As a result, the coating poorly resists the processes of wear and tear and quickly collapses when cutting.

Повышение в последнее время стоимости металлорежущего инструмента и ужесточение требований к точности обрабатываемых деталей сделало еще более актуальной проблему повышения стойкости РИ. Одним из путей повышения стойкости и, как следствие, работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа со слоями с различными физико-механическими свойствами. Наличие в покрытии верхнего слоя, обладающего высокой твердостью, способствует снижению интенсивности износа РИ с многослойным покрытием. Для повышения прочности сцепления покрытия с инструментальной основой оно должно иметь в своем составе нижний слой с повышенными адгезионными свойствами. Кроме того, увеличение твердости нижнего слоя покрытия также способствует дополнительному снижению интенсивности износа РИ с многослойным покрытием. Повышение прочности сцепления слоев обеспечивается за счет нанесения промежуточного слоя из элементов верхнего и нижнего слоев. Этот слой обладает высоким химическим сродством с другими слоями, высокой твердостью. Промежуточный слой также способствует повышению трещиностойкости за счет появления дополнительных границ между слоями.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. One of the ways to increase the resistance and, as a consequence, the health of RI with a coating is to apply multilayer coatings with layers with different physical and mechanical properties. The presence in the coating of the upper layer with high hardness, helps to reduce the wear rate of radiation with multilayer coatings. To increase the adhesion strength of the coating to the tool base, it should include a lower layer with improved adhesive properties. In addition, an increase in the hardness of the lower coating layer also contributes to an additional decrease in the wear rate of radiation with multilayer coatings. Increasing the adhesion of the layers is achieved by applying an intermediate layer of elements of the upper and lower layers. This layer has a high chemical affinity with other layers, high hardness. The intermediate layer also contributes to increased crack resistance due to the appearance of additional boundaries between the layers.

Технический результат - повышение работоспособности РИ.The technical result is an increase in the health of RI.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что наносят нижний слой из нитрида или карбонитрида соединения титана, ниобия и кремния при их соотношении, мас.%: титан 91,15-95,35, ниобий 4,0-8,0, кремний 0,65-0,85; промежуточный - из нитрида или карбонитрида соединения титана, ниобия и кремния при их соотношении, мас.%: титан 87,15-91,35, ниобий 8,0-12,0, кремний 0,65-0,85; верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 90,0-94,0, ниобий 6,0-10,0, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и ниобия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают из сплава титана и кремния и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и третьего катодов, промежуточный слой - с использованием второго и третьего катодов, верхний слой - с использованием первого и второго катодов.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by applying a lower layer of nitride or carbonitride of a compound of titanium, niobium and silicon at their ratio, wt.%: Titanium 91.15-95.35, niobium 4.0-8.0, silicon 0.65-0.85; intermediate - from a nitride or carbonitride of a compound of titanium, niobium and silicon at their ratio, wt.%: titanium 87.15-91.35, niobium 8.0-12.0, silicon 0.65-0.85; the top - from a nitride or carbonitride of a titanium and niobium compound at their ratio, wt.%: titanium 90.0-94.0, niobium 6.0-10.0, and coating layers are applied by three cathodes lying horizontally in the same plane, the first and the second of which is made of titanium and niobium composite and placed opposite to each other, and the third is made of an alloy of titanium and silicon and placed between them, the lower layer being applied using the first and third cathodes, the intermediate layer using the second and third cathodes, ve hny layer - using the first and second cathodes.

Такая структура покрытия позволяет получить высокую прочность сцепления с основой из-за наличия в покрытии нижнего слоя, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой. При этом слои обладают высокой твердостью из-за дополнительного легирования материала слоев покрытий и наличия в их структуре микрослоистости, получаемой при нанесении покрытий по предлагаемой схеме расположения катодов.This coating structure allows to obtain high adhesion to the base due to the presence in the coating of the lower layer having high adhesion to the tool base. Moreover, the layers have high hardness due to the additional alloying of the material of the coating layers and the presence in their structure of microlayers obtained by coating according to the proposed cathode arrangement.

Сущность изобретения заключается в следующем. В покрытии при резании происходят процессы трещинообразования, приводящие к его разрушению. Кроме того, из-за недостаточной прочности сцепления с инструментальной основой и слоев внутри многослойного покрытия возможно разрушение последнего в результате адгезионно-усталостных явлений на контактных площадках. В этих условиях покрытие должно иметь слоистую структуру для торможения трещин. Нижний слой покрытия должен обладать высокой адгезией с инструментальным материалом. Слои покрытия должны обладать высокой твердостью для повышения износо- и трещиностойкости. При этом слои многослойного покрытия должны иметь высокую прочность связи между собой, что обеспечивается их высоким сродством друг с другом из-за наличия общих элементов.The invention consists in the following. During cutting, cracking processes occur in the coating, leading to its destruction. In addition, due to insufficient adhesion to the tool base and layers inside the multilayer coating, the latter can be destroyed as a result of adhesion-fatigue phenomena on the contact pads. Under these conditions, the coating should have a layered structure to inhibit cracks. The bottom layer of the coating must have high adhesion to the tool material. Coating layers must have high hardness to increase wear and crack resistance. Moreover, the layers of the multilayer coating should have high bond strength between each other, which is ensured by their high affinity for each other due to the presence of common elements.

Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанной технологии получения, показали более низкие результаты.Coated plates obtained with deviations from the indicated production technology showed lower results.

Для экспериментальной проверки заявленного способа было нанесено покрытие-прототип с соотношением слоев, соответствующим оптимальному значению, указанному в известном способе, а также двухслойное покрытие по предлагаемому способу.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.

Нанесение предлагаемого покрытия осуществляется следующим образом. 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 катодами, расположенными горизонтально в одной плоскости. Используются расположенные противоположно друг другу первый и второй составные катоды из титана и ниобия, и третий катод из сплава титана и кремния, расположенный между ними. Камеру откачивают до давления 6,65·10^-3Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают один катод и при токе дуги 100 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°C. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и подаче реакционного газа - азота (или смеси азота и ацетилена) включают первый (из титана и ниобия) и третий (из титана и кремния) катоды и осаждают нижний слой покрытия TiNbSiN (или TiNbSiCN) толщиной 2,0 мкм. Промежуточный слой покрытия TiNbSiN (или TiNbSiCN) толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и включенных втором (из титана и ниобия) и третьем (из титана и кремния) катодах и подаче реакционного газа - азота (или смеси азота и ацетилена). Верхний слой покрытия TiNbN (или TiNbCN) толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А, включенных первом (из титана и ниобия) и втором (из титана и ниобия) катодах и подаче реакционного газа - азота (или смеси азота и ацетилена). Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.The proposed coating is as follows. 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 cathodes located horizontally in the same plane. The first and second composite cathodes of titanium and niobium located opposite each other are used, and the third cathode is made of an alloy of titanium and silicon located between them. 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 cathode 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, at a negative voltage of 160 V, a coil current of 0.3 A and a supply of reaction gas — nitrogen (or a mixture of nitrogen and acetylene), the first (from titanium and niobium) and the third (from titanium and silicon) cathodes and precipitate a lower coating layer of TiNbSiN (or TiNbSiCN) with a thickness of 2.0 μm. An intermediate coating layer of TiNbSiN (or TiNbSiCN) with a thickness of 2.0 μm is applied at a negative voltage of 160 V, a current of coils of 0.3 A and the second (from titanium and niobium) and third (from titanium and silicon) cathodes and a supply of reaction gas - nitrogen (or a mixture of nitrogen and acetylene). The upper coating layer of TiNbN (or TiNbCN) with a thickness of 2.0 μm is applied at a negative voltage of 160 V, a current of 0.3 A coils included in the first (from titanium and niobium) and second (from titanium and niobium) cathodes and the supply of reaction gas is nitrogen (or a mixture of nitrogen and acetylene). 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.

Микротвердость покрытий определяли на микротвердомере «ПМТ-3» под нагрузкой 100 г.The microhardness of the coatings was determined on a PMT-3 microhardness meter under a load of 100 g.

Стойкостные испытания режущего инструмента проводили при симметричном торцовом фрезеровании заготовок из стали 5ХНМ на станке 6Р12. Испытывали твердосплавные пластины марки МК8, обработанные по известному и предлагаемому способам. Режимы резания были следующими: скорость резания V=247 м/мин, подача S=0,4 мм/зуб, глубина резания t=1,5 мм, ширина фрезерования В=20 мм. За критерий износа была принята величина фаски износа по задней поверхности h₃=0,4 мм.Durable tests of the cutting tool were carried out with symmetrical face milling of 5XNM steel blanks on a 6P12 machine. Tested carbide inserts grade MK8, processed according to the known and proposed methods. The cutting conditions were as follows: cutting speed V = 247 m / min, feed S = 0.4 mm / tooth, cutting depth t = 1.5 mm, milling width B = 20 mm. For the wear criterion, the value of the chamfer of wear along the rear surface h ₃ = 0.4 mm was taken.

В таблице приведены результаты испытаний РИ с полученными покрытиями.The table shows the test results of RI with the obtained coatings.

Как видно из приведенных в таблице данных, стойкость пластин, с покрытиями, нанесенными по предлагаемому способу, выше стойкости пластин с покрытием, нанесенным по способу-прототипу, в 1,21-1,44 раза.As can be seen from the data in the table, the resistance of the plates with the coatings deposited by the proposed method is higher than the resistance of the plates with the coating deposited by the prototype method by 1.21-1.44 times.

Claims

A method of obtaining a multilayer coating for a cutting tool, including vacuum-plasma deposition of a multilayer coating, characterized in that a lower layer of nitride or carbonitride of a compound of titanium, niobium and silicon is applied at their ratio, wt.%: Titanium 91.15-95.35, niobium 4.0-8.0, silicon 0.65-0.85; intermediate - from a nitride or carbonitride of a compound of titanium, niobium and silicon at their ratio, wt.%: titanium 87.15-91.35, niobium 8.0-12.0, silicon 0.65-0.85; the top - from a nitride or carbonitride of a titanium and niobium compound at their ratio, wt.%: titanium 90.0-94.0, niobium 6.0-10.0, and coating layers are applied by three cathodes lying horizontally in the same plane, the first and the second of which is made of titanium and niobium composite and placed opposite to each other, and the third is made of an alloy of titanium and silicon and placed between them, the lower layer being applied using the first and third cathodes, the intermediate layer using the second and third cathodes, ve hny layer - using the first and second cathodes.