RU2485208C2

RU2485208C2 - Cutting plate manufacturing method

Info

Publication number: RU2485208C2
Application number: RU2011132813/02A
Authority: RU
Inventors: Юрий Георгиевич Кабалдин; Олег Васильевич Кретинин; Сергей Владимирович Серый; Павел Петрович Лизунов
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2013-06-20
Also published as: RU2011132813A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: proposed method involves deposition of a two-layered coating onto a hard-alloy base using a vacuum-plasma method. As a bottom layer, there applied is titanium and molybdenum nitride, or titanium and chrome nitride, or titanium and niobium nitride at the temperature of 600°C and at smooth increase in nitrogen pressure within the period of time of the layer deposition in the plant chamber of 7.5·10^-4 Pa to 4.3·10^-3 Pa. As a top layer, the above nitride of the bottom layer alloyed with zirconium is applied at the chamber nitrogen pressure of 4.3·10^-3 Pa and temperature of 500°C.

EFFECT: increasing wear resistance of cutting plates.

1 tbl

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к металлообработке, а именно к металлорежущему инструменту, который включает режущую пластину из спеченного твердого сплава с износостойким покрытием.The invention relates to the field of engineering, in particular to metalworking, in particular to a metal-cutting tool, which includes a cutting plate of sintered hard alloy with a wear-resistant coating.

Известны режущие пластины с двухслойными покрытиями из тугоплавких соединений (Верещака А.С. Работоспособность инструмента с износостойким покрытием. - М.: Машиностроение, 1993-336 с.), в частности двухслойное покрытие TiC+Ti(CN), т.е. из карбидов титана и карбонитридов титана. Такое покрытие позволяет повысить работоспособность режущей пластины до 2…3 раз при обработке конструкционных сталей, чугунов. Покрытия наносят осаждением из газовой фазы толщиной 5…6 мкм. Считается, что недостатком такого метода осаждения износостойкого покрытия является образование между подложкой и нижним слоем покрытия из TiC хрупкой η-фазы, что способствует отслаиванию покрытия и снижению износостойкости режущих пластин.Known cutting inserts with two-layer coatings of refractory compounds (Vereshchak A.S. Serviceability of the tool with a wear-resistant coating. - M .: Engineering, 1993-336 p.), In particular a two-layer coating TiC + Ti (CN), from titanium carbides and titanium carbonitrides. This coating allows you to increase the efficiency of the cutting plate up to 2 ... 3 times when machining structural steels, cast irons. Coatings are applied by vapor deposition with a thickness of 5 ... 6 microns. It is believed that the disadvantage of this method of deposition of a wear-resistant coating is the formation of a brittle η-phase between the substrate and the lower coating layer of TiC, which contributes to the peeling of the coating and reduce the wear resistance of the cutting inserts.

В качестве прототипа принят способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента (патент РФ №2410466, С23С 14/24, В23В 27/14, опубл 27.01.2011). Способ включает вакуумно-плазменное нанесение двухслойного покрытия, в качестве нижнего слоя при давлении азота в камере установки 7,5.10-4 Па и температуре 600°С наносят нитрид титана и молибдена или нитрид титана и хрома, или нитрид титана и ниобия, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 4,3.10-3 и температуре 500°С наносят такой же нитрид, легированный цирконием. Наносят нижний слой толщиной 40-50% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет 5-8 мкм.As a prototype adopted a method of obtaining a multilayer coating for a cutting tool (RF patent No. 2410466, C23C 14/24, B23B 27/14, published on 01/27/2011). The method includes vacuum-plasma deposition of a two-layer coating, titanium and molybdenum nitride or titanium and chromium nitride, or titanium and niobium nitride are applied as a lower layer at a nitrogen pressure in the installation chamber of 7.5.10-4 Pa and a temperature of 600 ° C, and as the top layer at nitrogen pressure in the chamber of the device 4,3.10-3 and a temperature of 500 ° C apply the same nitride doped with zirconium. 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.

Режущая пластина, изготовленная по такому способу и с такими покрытиями, позволяет повысить износостойкость в 1,5…2 раза по сравнению с режущей пластиной с покрытием TiC-Ti(CN) при обработке как конструкционных, так и ряда труднообрабатываемых материалов.A cutting insert made by this method and with such coatings can increase the wear resistance by 1.5 ... 2 times in comparison with a cutting plate coated with TiC-Ti (CN) in the processing of both structural and a number of difficult to process materials.

Этот результат связан с тем, что верхний слой покрытия является многокомпонентным (TiMoZr)N. Однако недостатком такого вида режущей пластины является низкий прирост износостойкости. Это связано с тем, что, как показало наше исследование микротвердости шлифа режущей пластины, нижний слой покрытия имеет нестехиометрический состав, т.е. содержит от 0,7 до 0,8 азота, а поэтому и меньшую твердость, чем верхний. Известно, что даже соединение стехиометрического состава уже имеет дефекты типа вакансий. Поэтому нижний слой покрытия содержит и увеличенное количество кобальта из основы, что связано с высокой температурой (600°С) осаждения покрытия. Это приводит к быстрому разрушению нижнего слоя после износа верхнего слоя покрытия. Таким образом, уменьшение прочности границы раздела нижнего слоя покрытия с подложкой и низкая твердость нижнего слоя снижают работоспособность покрытия в целом.This result is due to the fact that the top coating layer is multicomponent (TiMoZr) N. However, the disadvantage of this type of insert is the low increase in wear resistance. This is due to the fact that, as our study of the microhardness of the thin section of the cutting insert has shown, the lower coating layer has a non-stoichiometric composition, i.e. contains from 0.7 to 0.8 nitrogen, and therefore less hardness than the top. It is known that even a stoichiometric compound already has vacancy type defects. Therefore, the lower coating layer also contains an increased amount of cobalt from the base, which is associated with the high temperature (600 ° C) of the deposition of the coating. This leads to rapid destruction of the lower layer after wear of the upper coating layer. Thus, a decrease in the strength of the interface between the lower coating layer and the substrate and the low hardness of the lower layer reduce the overall performance of the coating.

Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.This disadvantage is eliminated by the proposed solution.

Решаемая задача - повышение работоспособности режущих пластин.The task at hand is to increase the working capacity of cutting inserts.

Технический результат - повышение износостойкости режущих пластин.EFFECT: increased wear resistance of cutting inserts.

Этот технический результат достигается тем, что в способе изготовления режущей пластины, включающем осаждение вакуумно-плазменным методом на твердосплавную основу двухслойного покрытия в качестве нижнего слоя при температуре 600°С и давлении азота в камере установки 7,5·10^-4 Па наносят нитрид титана и молибдена, или нитрид титана и хрома, или нитрид титана и ниобия, а в качестве верхнего слоя при давлении в камере 4,3·10^-3 Па и температуре 500°С наносят такой же нитрид, легированный цирконием, нижний слой покрытия осаждают при плавном увеличении давления азота за время осаждения нижнего слоя в камере установки от 7,5·10^-4 до 4,3·10^-3 Па.This technical result is achieved by the fact that in a method of manufacturing a cutting insert, including deposition by a vacuum-plasma method on a carbide base of a two-layer coating as a lower layer at a temperature of 600 ° C and nitrogen pressure in the chamber of the apparatus 7.5 · 10 ^-4 Pa apply titanium nitride and molybdenum, or titanium and chromium nitride, or titanium and niobium nitride, and as the upper layer at a chamber pressure of 4.3 · 10 ^-3 Pa and a temperature of 500 ° C, the same zirconium-doped nitride is applied, the lower coating layer is deposited at smooth increase nitrogen pressure during the deposition of the lower layer in the installation chamber from 7.5 · 10 ^-4 to 4.3 · 10 ^-3 Pa.

В результате нижний слой имеет переменный нестехиометрический состав азота по толщине, в частности уже стехиометрического состава на границе с верхним слоем. Это обеспечивает как хорошую адгезию нижнего слоя с подложкой, так и повышение в целом твердости нижнего слоя. В процессе распыления катодов возбужденные атомы осаждаются на подложку, где они объединяются в кластеры. При резком или ступенчатом изменении давления азота они могут не успеть прореагировать с азотом и в результате может появиться пористость покрытия или даже капельная фаза, что снижает прочность покрытия.As a result, the lower layer has a variable non-stoichiometric composition of nitrogen in thickness, in particular, the stoichiometric composition at the boundary with the upper layer. This ensures both good adhesion of the lower layer to the substrate and an increase in the overall hardness of the lower layer. In the process of sputtering the cathodes, the excited atoms are deposited on a substrate, where they are combined into clusters. With a sharp or stepwise change in nitrogen pressure, they may not have time to react with nitrogen, and as a result, the porosity of the coating or even the droplet phase may appear, which reduces the strength of the coating.

Плавное увеличение давления азота в камере установки за время осаждения (18 мин) нижнего слоя покрытия повышает его твердость, а следовательно, и износостойкость режущей пластины за счет уменьшения отрыва частиц покрытия нижнего слоя после износа верхнего слоя. Данный эффект особенно является значительным при резании труднообрабатываемых материалов.A smooth increase in the nitrogen pressure in the installation chamber during the deposition (18 min) of the lower coating layer increases its hardness and, consequently, the wear resistance of the cutting insert by reducing the separation of the coating particles of the lower layer after wear of the upper layer. This effect is especially significant when cutting hard materials.

Пример осуществления способа.An example implementation of the method.

Изготавливали режущие пластины, где на основу (подложку) из твердого сплава ВК8 методом КИБ осаждали двухслойные покрытия по 3 мкм каждого слоя. Перед напылением пластины подвергали ультразвуковой обработке и промывке ацетоном и спиртом. Затем пластины помещали в вакуумную камеру установки Булат-6, снабженной тремя испарителями. Камеру откачивали до давления 6,65·10^-3 Па, включали поворотное устройство и подавали на него отрицательное напряжение 1,1 кВ. Затем включали один из испарителей и при токе дуги 100 А проводили ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°С. Затем снижали отрицательное напряжение до 150 В, а ток катушек до 0,35 А. Включали два испарителя, содержащие два катода из титана и молибдена и подавали реакционный газ-азот, осаждая слой нитрида (TiMo)N при начальном давлении 7,5·10^-4 Па толщиной 3 мкм в течение 18 мин, плавно изменяя давление за это время до 4,3·10^-3 Па путем откачки азота при температуре 600°С. Нижний слой по этому способу толщиной 3 мкм формировали как из нитридов титана и молибдена, так и из нитридов титана и хрома или из нитридов титана и ниобия, а верхний слой из тех же нитридов, но их получали трехкомпонентными, т.е. они содержали и цирконий, причем осаждение верхнего слоя проводили уже при том же давлении азота, те при 4,3·10^-3 Па, снижая температуру до 500°С, уменьшая для этого ток фокусирующих катушек до 0,25 А. Осуществляли также нанесение таких же составов покрытий на твердосплавные пластины по прототипу. Затем проводили точение жаропрочной стали 2Х13. Режим резания: скорость резания V=50 м/мин, глубина резания t=2 мм, подача - S=0,21 мм/об. Определяли Т-время резания при достижении износа режущей пластины по задней поверхности h₃=0,4 мм. Испытаниям подвергали четырехгранные режущие пластины с твердосплавной основой из ВК8, изготовленные по предлагаемому способу и режущие пластины из ВК8, изготовленные по прототипу. Результаты испытаний приведены в таблице.Cutting inserts were made, where two-layer coatings of 3 μm of each layer were deposited on the base (substrate) of VK8 hard alloy by the KIB method. Before spraying, the plates were subjected to ultrasonic treatment and washing with acetone and alcohol. Then the plates were placed in the vacuum chamber of the Bulat-6 unit equipped with three evaporators. The camera was pumped out to a pressure of 6.65 · 10 ^-3 Pa, the rotary device was turned on and a negative voltage of 1.1 kV was applied to it. Then one of the evaporators was switched on and, at an arc current of 100 A, ion cleaning and heating of the plates to a temperature of 560-580 ° C were carried out. Then the negative voltage was reduced to 150 V, and the coil current to 0.35 A. Two evaporators were turned on, containing two titanium and molybdenum cathodes, and reaction nitrogen gas was supplied, precipitating a layer of nitride (TiMo) N at an initial pressure of 7.5 · 10 ^-4 Pa thickness of 3 microns for 18 min, gradually changing the pressure during this time to 4.3 × 10 ^-3 Pa by pumping nitrogen at a temperature of 600 ° C. The lower layer according to this method with a thickness of 3 μm was formed both from titanium and molybdenum nitrides, and from titanium and chromium nitrides or from titanium and niobium nitrides, and the upper layer from the same nitrides, but they were obtained in three-component form, i.e. they contained zirconium, moreover, the deposition of the upper layer was already carried out at the same nitrogen pressure, those at 4.3 · 10 ^-3 Pa, lowering the temperature to 500 ° C, reducing the current of the focusing coils to 0.25 A. the same coating compositions on carbide inserts of the prototype. Then, turning of heat-resistant steel 2X13 was carried out. Cutting mode: cutting speed V = 50 m / min, cutting depth t = 2 mm, feed - S = 0.21 mm / rev. The cutting T-time was determined when the wear of the cutting insert on the rear surface h ₃ = 0.4 mm was achieved. Tests were carried out on tetrahedral cutting inserts with a carbide base from VK8, manufactured by the proposed method and cutting inserts from VK8, made according to the prototype. The test results are shown in the table.

Из таблицы видно, что режущая пластина, изготовленная по предлагаемому способу, имеет повышение износостойкости до двух раз, по сравнению с прототипом.The table shows that the cutting plate made by the proposed method has an increase in wear resistance up to two times, compared with the prototype.

Вид пластинType of plates Предлагаемый способ изготовления режущей пластиныThe proposed method of manufacturing a cutting insert Прототип (патент на изобретение №2510466)Prototype (patent for invention No. 2510466) ВК8+ (TiMo)N+ (TiMoZr)NBK8 + (TiMo) N + (TiMoZr) N BK8+ (TiCr)N+ (TiCrZr)NBK8 + (TiCr) N + (TiCrZr) N BK8+ (TiNb)N+ (TiNbZr)NBK8 + (TiNb) N + (TiNbZr) N ВК8+ (TiMo)N+ (TiMoZr)NBK8 + (TiMo) N + (TiMoZr) N BK8+ (TiCr)N+ (TiCrZr)NBK8 + (TiCr) N + (TiCrZr) N BK8+ (TiNb)N+ (TiNbZr)NBK8 + (TiNb) N + (TiNbZr) N Время резания до износа h₃=0,4 мм, в минCutting time to wear h ₃ = 0.4 mm, in min 1616 20twenty 2424 88 99 1212

Claims

A method of manufacturing cutting inserts, including vacuum-plasma deposition on a carbide base of a two-layer coating, wherein titanium and molybdenum nitride, or titanium and chromium nitride, or titanium and niobium nitride are applied as a lower layer at a temperature of 600 ° C, and as the upper layer under nitrogen pressure in a chamber of 4.3 × 10 ^-3 Pa and a temperature of 500 ° C is applied to said bottom nitride layer doped with zirconium, characterized in that the lower coating layer is deposited with a continuous increase in the nitrogen pressure during deposition with lower oya in the installation chamber of 7.5 × 10 ^-4 to 4.3 × 10 ^-3 Pa.