RU2503743C1

RU2503743C1 - Method of producing sandwiched coating for cutting tool

Info

Publication number: RU2503743C1
Application number: RU2012127960/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Табаков; Алексей Валерьевич Чихранов; Станислав Николаевич Власов; Александр Александрович Романов; Дмитрий Васильевич Горностаев
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-01-10

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: applied is lower layer of titanium, silicon and chromium nitrides at the following ratio of components in wt %: titanium - 87.5-93.4, silicon - 0.6-1.0, chromium - 8.5-10.0. Then mid layer of carbonitride of titanium, silicon and chromium is applied at the following ratio of components, wt %: titanium - 87.5-93.4, silicon - 0.6-1.0, chromium - 8.5-10.0. Then upper layer of carbonitride of titanium and silicon is applied at the following ratio of components in wt %: titanium - 98.5-99.1, silicon - 0.61.5. Coating layers are applied horizontally in one plane by three cathodes. First and second cathode are made of titanium and silicon alloy and arranged in opposition while third cathode is made of titanium and aluminium and arranged there between. Lower and mid layers are applied by three cathodes while upper layer is applied by first and second cathodes.

EFFECT: higher cutting efficiency.

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 pp.).

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 a cutting tool operates 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 2278905 C1, 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 2278905 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 и низкими сжимающими остаточными напряжениями. 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, fracture toughness and low compressive residual stresses. As a result, the coating poorly resists the processes of wear and tear and quickly collapses when cutting.

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 высокими твердостью и контактными характеристиками, 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 высокими адгезионными свойствами. Кроме того, увеличение твердости нижнего слоя покрытия также способствует дополнительному снижению интенсивности износа РИ с многослойным покрытием. Промежуточный слой должен выполнять следующие функции. Во-первых, обеспечивать повышение прочности сцепления слоев за счет его формирования из элементов верхнего и нижнего слоев. Во-вторых, иметь высокие твердость и сжимающие остаточные напряжения для снижения интенсивности износа и трещинообразования в покрытии при прерывистом резании. В-третьих, способствовать повышению трещиностойкости всего покрытия за счет появления дополнительных границ между слоями.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, which has high hardness and contact characteristics, helps to reduce the wear rate of RS with a multilayer coating. To increase the adhesion strength of the coating to the tool base, it should include a lower layer with high 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. The intermediate layer should perform the following functions. First, to provide increased adhesion of the layers due to its formation from the elements of the upper and lower layers. Secondly, to have high hardness and compressive residual stresses to reduce the intensity of wear and cracking in the coating during interrupted cutting. Thirdly, to increase the crack resistance of the entire coating 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 соединения титана, кремния и хрома при их соотношении, мас.%: титан 87,5-90,9, кремний 0,6-1,0, хром 8,5-11,5; промежуточный - из карбонитрида соединения титана, кремния и хрома при их соотношении, мас.%: титан 87,5-90,9, кремний 0,6-1,0, хром 8,5-11,5; верхний - из нитрида соединения титана и кремния при их соотношении, мас.%: титан 98,5-99,1, кремний 0,9-1,5, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют из сплава титана и кремния и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и хрома и располагают между ними, причем нижний и промежуточный слои наносят с использованием всех трех катодов, а 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 compounds of titanium, silicon and chromium at their ratio, wt.%: Titanium 87.5-90.9, silicon 0.6-1.0, chromium 8, 5-11.5; intermediate - from carbonitride compounds of titanium, silicon and chromium at their ratio, wt.%: titanium 87.5-90.9, silicon 0.6-1.0, chromium 8.5-11.5; the top one is made of titanium and silicon compound nitride at their ratio, wt.%: titanium 98.5-99.1, silicon 0.9-1.5, and coating layers are applied by three cathodes lying horizontally in the same plane, the first and second of which they are made of an alloy of titanium and silicon and are located opposite to each other, and the third is made of titanium and chromium and placed between them, with the lower and intermediate layers being applied using all three cathodes, and the upper layer using the first and second cathodes.

Такая структура наносимого покрытия позволяет получить высокие остаточные напряжения и твердость из-за наличия в покрытии промежуточного слоя. При этом нижний и промежуточный слои обладают высокой твердостью и трещиностойкостью из-за дополнительного легирования материала слоев покрытий и наличию в их структуре микрослоистости, получаемой при нанесении покрытий по предлагаемой схеме расположения катодов.This structure of the applied coating allows to obtain high residual stresses and hardness due to the presence of an intermediate layer in the coating. Moreover, the lower and intermediate layers have high hardness and crack resistance due to 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 и высокие сжимающие напряжения. Слои покрытия должны обладать также 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 and high compressive stresses. The coating layers must also 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, соответствующему оптимальному значению, указанному в известном способе, а также трехслойное 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 three-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 катоды из сплава титана и кремния, и третий составной катод из титана и хрома, 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 включают все три катода и осаждают нижний слой покрытия TiSiCrN толщиной 2,0 мкм. Промежуточный слой покрытия TiSiCrCN толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и включенных трех катодах при подаче реакционного газа, состоящего из смеси азота и ацетилена (60% азота и 40% ацетилена (мас.)). Верхний слой покрытия TiSiN толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А, включенных первом (из титана и кремния) и втором (из титана и кремния) катодах и подаче реакционного газа азота. 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 cathodes made of an alloy of titanium and silicon, and the third composite cathode made of titanium and chromium located between them are used, which are located opposite to each other. 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 nitrogen gas, all three cathodes are turned on and a 2.0 μm thick TiSiCrN coating layer is deposited. An intermediate coating layer of TiSiCrCN 2.0 μm thick is applied at a negative voltage of 160 V, a current of coils of 0.3 A, and three cathodes turned on when a reaction gas consisting of a mixture of nitrogen and acetylene (60% nitrogen and 40% acetylene (wt.)) Is supplied . The upper layer of the TiSiN coating with a thickness of 2.0 μm is applied at a negative voltage of 160 V, a current of coils of 0.3 A, the first cathodes (made of titanium and silicon) and the second (made of titanium and silicon) and a reaction gas of nitrogen. 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. Остаточные напряжения определяли на рентгеновском дифрактометре «ДРОН-3М» с использованием фильтрованного Cu_Kα-излучения.The microhardness of the coatings was determined on a PMT-3 microhardness meter under a load of 100 g. Residual stresses were determined on a DRON-3M X-ray diffractometer using filtered Cu _Kα radiation.

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 B=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 табл.1 приведены результаты испытаний РИ с полученными покрытиями.Table 1 shows the test results of RI with the obtained coatings.

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 1,12-1,39 раза.As can be seen from the data in table 1, the resistance of the plates with coatings deposited by the proposed method is higher than the resistance of the plates with the coating deposited by the prototype method by 1.12-1.39 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 titanium, silicon and chromium nitride is applied at their ratio, wt.%: Titanium 87.5-90.9, silicon 0 , 6-1.0, chromium 8.5-11.5, intermediate - from carbonitride compounds of titanium, silicon and chromium at their ratio, wt.%: Titanium 87.5-90.9, silicon 0.6-1, 0, chromium 8.5-11.5, and the upper one is made of nitride of titanium and silicon compounds at their ratio, wt.%: Titanium 98.5-99.1, silicon 0.9-1.5, while applying layers coverings three cathodes are arranged horizontally in the same plane, the first and second of which are made of an alloy of titanium and silicon and are located opposite to each other, and the third is made of titanium and chromium and placed between them, the lower and intermediate layers being applied using all three cathodes , and the upper layer using the first and second cathodes.