RU2464346C1

RU2464346C1 - Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента

Info

Publication number: RU2464346C1
Application number: RU2011120723/02A
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: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2012-10-20

Abstract

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение в среде реакционного газа сначала нижнего слоя из нитрида или карбонитрида соединения титана, молибдена и циркония при их соотношении, мас.%: титан 81,0-86,0, молибден 2,0-3,0, цирконий 12,0-16,0; затем наносят промежуточный слой из нитрида или карбонитрида соединения титана, молибдена и циркония при их соотношении, мас.%: титан 78,5-84,0, молибден 4,0-5,5, цирконий 12,0-16,0, и верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 95,75-97,0, молибден 3,0-4,25. Нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и молибдена и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и циркония 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. В результате нанесения многослойного покрытия повышается работоспособность режущего инструмента. 1 табл.

Description

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.

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.).

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.

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 2269602 C1, принятый за прототип.

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.

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.

Технический результат - повышение работоспособности РИ.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что наносят нижний слой из нитрида или карбонитрида соединения титана, молибдена и циркония при их соотношении, мас.%: титан 81,0-86,0, молибден 2,0-3,0, цирконий 12,0-16,0; промежуточный - из нитрида или карбонитрида соединения титана, молибдена и циркония при их соотношении, мас.%: титан 78,5-84,0, молибден 4,0-5,5, цирконий 12,0-16,0; верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 95,75-97,0, молибден 3,0-4,25, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и молибдена и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и циркония 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.

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.

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.

Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанной технологии получения, 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.

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 молибдена, и третий составной катод из титана и циркония, расположенный между ними. Камеру откачивают до давления 6,65·10^-3 Па, 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 молибдена) и третий (из титана и циркония) катоды и осаждают нижний слой покрытия TiMoZrN (или TiMoZrCN) толщиной 2,0 мкм. Промежуточный слой покрытия TiMoZrN (или TiMoZrCN) толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и включенных втором (из титана и молибдена) и третьем (из титана и циркония) катодах и подаче реакционного газа - азота (или смеси азота и ацетилена). Верхний слой покрытия TiMoN (или TiMoCN) толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А, включенных первом (из титана и молибдена) и втором (из титана и молибдена) 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.

Микротвердость покрытий определяли на микротвердомере «ПМТ-3» под нагрузкой 100 г.

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.

В табл.1 приведены результаты испытаний РИ с полученными покрытиями.

Таблица 1
Результаты испытаний РИ с покрытием
Материал покрытия	Химический состав слоев покрытия (соотношение металлических компонентов), % мас.									Микротвердость, ГПа	Стойкость, мин	Примеча ние
	1 слой			2 слой				3 слой
	Ti	Zr	Mo	Ti	Zr	Mo		Ti	Mo
TiN	-									29,2	45	Аналог
TiMoZr -TiMoZrN-TiMoN	83,5	14	2,5	81,25	14		4,75	96,37	3,63	38,6	252	Прототип
TiMoZrN-TiMoZrN-TiMoN	84	14	2	82	14		4	97	3	39,4	289
	85,5	12	2,5	83,25	12		4,75	96,37	3,63	40,2	303
	83,5	14	2,5	81,25	14		4,75	96,37	3,63	40,5	314
	81,5	16	2,5	79,25	16		4,75	96,37	3,63	40,1	306
	83	14	3	80,5	14		5,5	95,75	4,25	39,3	293
TiMoZrCN-TiMoZrCN-TiMoCN	84	14	2	82	14		4	97	3	45,8	327
	85,5	12	2,5	83,25	12		4,75	96,37	3,63	46,4	340
	83,5	14	2,5	81,25	14		4,75	96,37	3,63	46,6	356
	81,5	16	2,5	79,25	16		4,75	96,37	3,63	46,2	344
	83	14	3	80,5	14		5,5	95,75	4,25	45,6	331

Как видно из приведенных в таблице 1 данных, стойкость пластин, с покрытиями, нанесенными по предлагаемому способу, выше стойкости пластин с покрытием, нанесенным по способу-прототипу, в 1,15-1,41 раза.

Claims

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, отличающийся тем, что наносят нижний слой из нитрида или карбонитрида соединения титана, молибдена и циркония при их соотношении, мас.%: титан 81,0-86,0, молибден 2,0-3,0, цирконий 12,0-16,0; промежуточный - из нитрида или карбонитрида соединения титана, молибдена и циркония при их соотношении, мас.%: титан 78,5-84,0, молибден 4,0-5,5, цирконий 12,0-16,0; верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 95,75-97,0, молибден 3,0-4,25, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и молибдена и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и циркония 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.