RU2596527C1

RU2596527C1 - Method for production of multi-layer coating for cutting tool

Info

Publication number: RU2596527C1
Application number: RU2015108997/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Табаков; Алексей Валерьевич Чихранов; Станислав Николаевич Власов; Юрий Георгиевич Кривов; Михаил Вячеславович Полозов
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2016-09-10

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to application of multi-layer coating on cutting tool and can be used in machining. Vacuum plasma sandwiched coating is applied. First, a lower layer of titanium nitride is applied. Then upper layer of titanium, aluminium and niobium nitride is applied at their ratio, wt %: titanium 76.7-82.7, aluminium 1.3-3.3, niobium 16.0-20.0. Coating plies are applied by three cathodes arranged horizontally in one plane. First and second cathodes are made of titanium and arranged opposite to each other, while third electrode is made of titanium, aluminium and niobium compound and located between them. Lower layer is applied using first and second cathodes, and upper layer is using all three cathodes. Application of bottom layer is performed at condensation temperature of 600 °C, and upper is at condensation temperature of 300 °C.

EFFECT: increased functionality of cutting tool.

2 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 вакуумно-плазменным методом наносят износостойкое покрытие (ИП) 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 coating (PI) of titanium nitride (TiN) 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: Ulyanovsk State Technical University, 1998.123 s). 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 tools working in continuous cutting. - Ulyanovsk: UlSTU, 2007. - 255 s), 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 слое 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 coating layer leads to an increase in its hardness and fracture toughness and, as a consequence, the performance of RI coated.

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 титана и верхний - из нитрида соединения титана, алюминия и ниобия при их соотношении, мас. %: титан 76,7-82,7, алюминий 1,3-3,3, ниобий 16,0-20,0, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют из титана и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают из сплава титана, алюминия и ниобия и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и второго катодов, а верхний слой - с использованием всех трех катодов.The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by applying a lower layer of titanium nitride and a top layer of titanium, aluminum and niobium compounds nitride at their ratio, wt. %: titanium 76.7-82.7, aluminum 1.3-3.3, niobium 16.0-20.0, and coating layers are applied by three cathodes arranged horizontally in the same plane, the first and second of which are made of titanium and placed opposite to each other, and the third is made of an alloy of titanium, aluminum and niobium and placed between them, the lower layer being applied using the first and second cathodes, and the upper layer using all three cathodes.

Согласно предпочтительному варианту нижний слой наносят при температуре конденсации 600°C, а верхний - при температуре конденсации 300°C.According to a preferred embodiment, the lower layer is applied at a condensation temperature of 600 ° C, and the upper layer at a condensation temperature of 300 ° C.

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. При этом дополнительное повышение адгезии достигается осаждением нижнего слоя при оптимальной температуре конденсации. Верхний слой обладает высокой твердостью из-за дополнительного легирования материала слоя, наличия в структуре микрослоистости, получаемой при нанесении покрытий по предлагаемой схеме расположения катодов, и более низкой температуры конденсации.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. In this case, an additional increase in adhesion is achieved by deposition of the lower layer at the optimum condensation temperature. The upper layer has high hardness due to the additional alloying of the material of the layer, the presence of micro-layering in the structure obtained by coating according to the proposed arrangement of the cathodes, and a lower condensation temperature.

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 и второй катоды, изготовленные из титана и расположенные противоположно друг другу, 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, the first and second cathodes made of titanium and located opposite each other, and the 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 U=1,1 кВ, включают первый и второй катоды и при токе дуги I=100 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 580-620°C. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем при отрицательном напряжении U=220 В, токе дуги I=110 А, токе катушек 0,3 А, подаче реакционного газа азота, температуре конденсации 600°C и включенных первом и втором катодах осаждают нижний слой покрытия TiN толщиной 3,0 мкм. Верхний слой покрытия TiAlNbN толщиной 3,0 мкм наносят при отрицательном напряжении U=160 В, токе дуги I=85 А, токе катушек 0,3 А, температуре конденсации 300°C, 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. Изменение температуры конденсации при осаждении нижнего и верхнего слоев покрытия по другим вариантам технологического процесса осуществлялось изменением напряжения U и тока дуги I (см. таблицу, столбец «Примечание»).The chamber is pumped out to a pressure of 6.65 · 10 ^-3 Pa, the rotator is turned on, a negative voltage U = 1.1 kV is applied to it, the first and second cathodes are turned on and, at an arc current of I = 100 A, the plates are cleaned and heated to a temperature 580-620 ° C. The focusing coil current is 0.4 A. Then, at a negative voltage U = 220 V, arc current I = 110 A, coil current 0.3 A, reactive nitrogen gas supply, a condensation temperature of 600 ° C, and the first and second cathodes are turned on, the lower layer is deposited 3.0 microns thick TiN coatings. A 3.0 μm thick TiAlNbN coating layer is applied at a negative voltage U = 160 V, arc current I = 85 A, coil current 0.3 A, condensation temperature 300 ° C, three cathodes are turned on, and a reaction gas of nitrogen is supplied. 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. The change in the condensation temperature during deposition of the lower and upper layers of the coating according to other variants of the technological process was carried out by changing the voltage U and the arc current I (see table, column “Note”).

При осаждении покрытий температуру конденсации измеряли с помощью оптического инфракрасного пирометра ЯЗЧ-51, а также оптическим микропирометром ВИМП-015М.During deposition of coatings, the condensation temperature was measured using an YaZCh-51 optical infrared pyrometer and a VIMP-015M optical micropyrometer.

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 1,31-1,60 раза.As can be seen from the data in table 1, the resistance of the wafers with the coatings deposited by the proposed method is higher than the resistance of the wafers with the coatings deposited by the prototype method by 1.31-1.60 times.

Claims

1. A method of obtaining a multilayer coating for a cutting tool, including vacuum-plasma deposition of a multilayer coating, characterized in that the lower layer is applied from titanium nitride and the upper one from titanium, titanium, aluminum and niobium compounds at a ratio of wt. %: titanium 76.7-82.7, aluminum 1.3-3.3, niobium 16.0-20.0, and coating layers are applied by three cathodes arranged horizontally in the same plane, the first and second of which are made of titanium and placed opposite to each other, and the third is made of an alloy of titanium, aluminum and niobium and placed between them, the lower layer being applied using the first and second cathodes, and the upper layer using all three cathodes.

2. The method according to p. 1, characterized in that the lower layer is applied at a condensation temperature of 600 ° C, and the upper one at a condensation temperature of 300 ° C.