RU2596520C1

RU2596520C1 - Method for production of multi-layer coating for cutting tool

Info

Publication number: RU2596520C1
Application number: RU2015109006/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Табаков; Алексей Валерьевич Чихранов; Станислав Николаевич Власов; Сергей Валерьевич Сизов
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2016-09-10

Abstract

FIELD: nanotechnology.

SUBSTANCE: invention relates to application of multi-layer coating on cutting tool and can be used in machining. Lower layer of titanium nitride is applied. Then, intermediate layer of titanium, aluminium and niobium nitride compound at their ratio, wt%: titanium 65.0-74.0, aluminium 2.0-5.0, niobium 24.0-30.0. Then upper layer of nitride of titanium, zirconium, aluminium and niobium compound is applied at their ratio, wt%: titanium 44.3-52.8, zirconium 29.9-32.4, aluminium 1.3-3.3, niobium 16.0-20.0. Layers are applied horizontally in one plane by three cathodes. First cathode is made of titanium, second one consists of zirconium and located opposed to first and third is from alloy of titanium, aluminium and niobium and located between them. Lower layer is applied using first cathode, intermediate layer is applied by first and third cathodes, and upper layer is by all three cathodes. Then coating is treated with laser radiation with power density in range of 38-46 kW/cm².

EFFECT: result of application is higher cutting efficiency.

1 cl, 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 наносят износостойкое ионно-плазменное покрытие из нитрида титана (TiN) (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 покрытия имеют относительно низкую твердость. В результате этого покрытие в большей мере подвергается износу, в нем быстро зарождаются и распространяются трещины, приводящие к разрушению покрытия, что снижает стойкость РИ с покрытием.A known method of increasing the resistance of a cutting tool (RI), in which a wear-resistant ion-plasma coating of titanium nitride (TiN) is applied to its surface (see Tabakov V.P. Performance of a cutting tool with wear-resistant coatings based on complex titanium nitrides and carbonitrides. Ulyanovsk : UlSTU, 1998, 123 pp.). The reasons that impede the achievement of the following technical result when using the known method include the fact that in the known method, the coatings have a relatively low hardness. As a result of this, the coating undergoes more wear and tear, 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 нанесения многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида титана TiN и верхнего слоя нитрида титана и алюминия TiAlN (см. Табаков В.П., Чихранов А.В. Износостойкие покрытия режущего инструмента, работающего в условиях непрерывного резания. - Ульяновск: УлГТУ, 2007. - 255 с.), принятый за прототип.The closest method of the same purpose to the claimed invention according to the totality of features is the method of applying a multilayer coating consisting of a lower layer of titanium nitride TiN and an upper layer of titanium nitride and aluminum TiAlN (see Tabakov V.P., Chikhranov A.V. Wear-resistant coatings of the cutting tool working in continuous cutting. - Ulyanovsk: UlSTU, 2007. - 255 p.), 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, создание микрослоистости в верхнем и промежуточном слоях покрытия приводит к увеличению его твердости и трещиностойкости и, как следствие, работоспособности РИ с покрытием.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, the creation of micro-layering in the upper and intermediate layers of the coating leads to an increase in its hardness and fracture toughness and, as a result, the performance of the coated radiation.

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 вначале наносят многослойное ионно-плазменное покрытие, состоящее из нижнего слоя нитрида титана, промежуточного - нитрида соединения титана, алюминия и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 65,0-74,0, алюминий 2,0-5,0, ниобий 24,0-30,0, и верхнего - нитрида соединения титана, циркония, алюминия и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 44,3-52,8, цирконий 29,9-32,4, алюминий 1,3-3,3, ниобий 16,0-20,0, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют из титана, второй - из циркония и располагают противоположно первому, а третий изготавливают из сплава титана, алюминия и ниобия и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого катода, промежуточный слой - с использованием первого и третьего катодов, а верхний слой - с использованием всех трех катодов, а затем используют обработку покрытия лазерным излучением с плотностью мощности 38…46 кВт/см².The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by first applying a multilayer ion-plasma coating consisting of a lower layer of titanium nitride, an intermediate layer of titanium, aluminum and niobium compounds at their ratio, wt.%: Titanium 65.0-74.0 , aluminum 2.0-5.0, niobium 24.0-30.0, and the upper nitride compound of titanium, zirconium, aluminum and niobium at their ratio, wt.%: titanium 44.3-52.8, zirconium 29 , 9-32.4, aluminum 1.3-3.3, niobium 16.0-20.0, and the application of coating layers is carried out horizontally in one plane and three cathodes, the first of which is made of titanium, the second of zirconium and opposite to the first, and the third is made of an alloy of titanium, aluminum and niobium and placed between them, with the lower layer being applied using the first cathode, the intermediate layer using the first and the third cathode, and the top layer using all three cathodes, and then use the processing of the coating with laser radiation with a power density of 38 ... 46 kW / cm ² .

Такая структура покрытия позволяет получить высокую прочность сцепления с основой из-за наличия в покрытии нижнего слоя нитрида титана, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой. Промежуточный и верхний слои обладают высокой твердостью из-за дополнительного легирования материала слоя, наличию в 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 of titanium nitride, which has high adhesion to the tool base. The intermediate and upper layers have high hardness due to the additional alloying of the material of the layer, the presence in the structure of micro-layers obtained by coating according to the proposed arrangement of the cathodes.

Сущность изобретения заключается в следующем. В покрытии при резании происходят процессы трещинообразования, приводящие к его разрушению. 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. 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, а также многослойное покрытие по предлагаемому способу.For experimental verification of the claimed method, a prototype coating was applied, as well as a multilayer 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. При нанесении покрытия используют первый катод, изготовленный из титана, второй катод, изготовленный из циркония и расположенный противоположно первому, и третий, изготовленный из сплава титана, алюминия и ниобия и расположенный между ними.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. When applying the coating, a first cathode made of titanium, a second cathode made of zirconium and located opposite the first, and a third made of an alloy of titanium, aluminum and niobium and located between them are used.

Камеру откачивают до давления 6,65·10^-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают первый и второй катоды и при токе дуги 100 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 580-620°C. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем при отрицательном напряжении 220 В, токе дуги 110 А, токе катушек 0,3 А, подаче реакционного газа - азота и включенном первом катоде осаждают нижний слой покрытия TiN толщиной 2,0 мкм. Далее при отрицательном напряжении 240 В, токе дуги 120 А, токе катушек 0,3 А и подаче реакционного газа азота и включенных первом и третьем катодах осаждают промежуточный слой покрытия TiAlNbN толщиной 2,0 мкм. Верхний слой покрытия TiZrAlNbN толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 240 В, токе дуги 120 А, токе катушек 0,3 А, включенных трех 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 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, the first and second cathodes are turned on, and at an arc current of 100 A, the plates are cleaned and heated to a temperature of 580-620 ° C. The focusing coil current is 0.4 A. Then, at a negative voltage of 220 V, an arc current of 110 A, a coil current of 0.3 A, a supply of reaction gas — nitrogen, and the first cathode turned on, the lower TiN coating layer is deposited with a thickness of 2.0 μm. Then, with a negative voltage of 240 V, an arc current of 120 A, a coil current of 0.3 A and a supply of reaction nitrogen gas and the first and third cathodes turned on, an intermediate TiAlNbN coating layer of 2.0 μm thickness is deposited. The upper coating layer of TiZrAlNbN with a thickness of 2.0 μm is applied at a negative voltage of 240 V, an arc current of 120 A, a current of coils of 0.3 A, three cathodes turned on and a supply of reaction gas, 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.

Лазерная обработка покрытий и инструментальной матрицы осуществлялась на импульсной лазерной установке "Квант-15". Образцы устанавливались на стол приспособления, который двигался поступательно со скоростью 0,3…0,42 м/мин.Laser processing of coatings and instrumental matrix was carried out on a quantum laser "Quant-15". Samples were installed on the table of the device, which moved progressively at a speed of 0.3 ... 0.42 m / min.

Диаметр лазерного пучка был равен 1 мм. Лазерную обработку проводили при плотности мощности q=38…46 кВт/см² и длительности импульса излучения 4 мс.The diameter of the laser beam was 1 mm. Laser processing was performed at a power density q = 38 ... 46 kW / cm ² and a radiation pulse duration of 4 ms.

Перед обработкой лазерным излучением на поверхность образца равномерно наносилось поглощающее покрытие - порошок графита ПИ-15 толщиной 30…50 мкм с целью повышения коэффициента поглощения обрабатываемой поверхности. После обработки поглощающее покрытие с поверхности пластины удалялось этиловым спиртом или аналогичным растворителем.Before processing by laser radiation, an absorbing coating was uniformly applied to the sample surface — PI-15 graphite powder 30–50 μm thick with the aim of increasing the absorption coefficient of the treated surface. After processing, the absorbent coating was removed from the surface of the plate with ethyl alcohol or a similar solvent.

Микротвердость покрытий определяли на микротвердомере «ПМТ-3» под нагрузкой 100 г. Стойкостные испытания режущего инструмента проводили при продольном точении заготовок из стали 30ХГСА на токарном станке 16К20. Режимы резания: скорость резания V=160 м/мин, подача S=0,3 мм/об, глубина резания t=1,0 мм, обработка производилась без применения СОЖ. Испытывали твердосплавные пластины марки МК8, обработанные по известному и предлагаемому способам. Критерием износа служила фаска износа по задней поверхности шириной 0,4 мм.The microhardness of the coatings was determined on a PMT-3 microhardness meter under a load of 100 g. Stability tests of the cutting tool were carried out with longitudinal turning of 30KhGSA steel blanks on a 16K20 lathe. Cutting modes: cutting speed V = 160 m / min, feed S = 0.3 mm / rev, cutting depth t = 1.0 mm, processing was performed without the use of coolant. 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.

В табл. 1 приведены результаты испытаний РИ с полученными покрытиями.In the 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 1,90-2,35 раза.As can be seen from the data in table 1, 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 1.90-2.35 times.

Claims

A method of obtaining a multilayer coating for a cutting tool, characterized in that at first a multilayer ion-plasma coating is applied, consisting of a lower layer of titanium nitride, an intermediate layer of titanium, aluminum and niobium compound nitride in their ratio, wt.%: Titanium 65.0-74 , 0, aluminum 2.0-5.0, niobium 24.0-30.0, and the upper nitride compound of titanium, zirconium, aluminum and niobium in their ratio, wt.%: Titanium 44.3-52.8, zirconium 29.9-32.4, aluminum 1.3-3.3, niobium 16.0-20.0, and coating is carried out horizontally in one plane the bones are three cathodes, the first of which is made of titanium, the second of zirconium and opposite to the first, and the third is made of an alloy of titanium, aluminum and niobium and placed between them, with the lower layer being applied using the first cathode, the intermediate layer using the first and the third cathodes, and the upper layer using all three cathodes, and then the coating is processed by laser radiation with a power density in the range from 38 to 46 kW / cm ² .