RU2616713C1 - Method of producing sandwiched coating for cutting tool - Google Patents

Method of producing sandwiched coating for cutting tool Download PDF

Info

Publication number
RU2616713C1
RU2616713C1 RU2015146222A RU2015146222A RU2616713C1 RU 2616713 C1 RU2616713 C1 RU 2616713C1 RU 2015146222 A RU2015146222 A RU 2015146222A RU 2015146222 A RU2015146222 A RU 2015146222A RU 2616713 C1 RU2616713 C1 RU 2616713C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
titanium
coating
molybdenum
silicon
cathodes
Prior art date
Application number
RU2015146222A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Петрович Табаков
Алексей Валерьевич Чихранов
Станислав Николаевич Власов
Дамир Ильдарович Сагитов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет"
Priority to RU2015146222A priority Critical patent/RU2616713C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2616713C1 publication Critical patent/RU2616713C1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B27/00Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24Vacuum evaporation

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: sandwiched coating is applied by vacuum plasma method. First, a lower layer of titanium nitride is applied. Then, an upper layer of nitride of titanium, silicon and molybdenum is applied at the following component ratio, wt %: titanium 93.1-95.0, silicon 1.0-1.4, molybdenum 4.0-5.5. Application of coating layers is performed with three cathodes located horizontally in one plane. The first cathode is made of titanium and silicon alloy, the second one consists of titanium and is located opposite to the first one, and the third one is composed of titanium and molybdenum and is located between them. Bottom layer is applied with the help of second cathode while top layer is applied by first and third 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) (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.There is a 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 циркония TiZrN (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 in terms of features is a method of applying a multilayer coating consisting of a lower layer of titanium nitride TiN and an upper layer of titanium nitride and zirconium TiZrN (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 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, кремния и молибдена при их соотношении, мас. %: титан 93,1-95,0, кремний 1,0-1,4, молибден 4,0-5,5, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют из сплава титана и кремния, второй - из титана и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием второго катода, а верхний слой - с использованием первого и третьего катодов.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by applying a lower layer of titanium nitride and a top layer of nitride compounds of titanium, silicon and molybdenum in their ratio, wt. %: titanium 93.1-95.0, silicon 1.0-1.4, molybdenum 4.0-5.5, and coating layers are applied by three cathodes arranged horizontally in the same plane, the first of which is made of a titanium alloy and silicon, the second is made of titanium and placed opposite to the first, and the third is made of titanium and molybdenum and placed between them, with the lower layer being applied using the second cathode and the upper layer using the first and third cathodes.

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 верхний слой обладает высокой твердостью из-за дополнительного легирования материала слоя и наличия в его 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. In this case, the upper layer has high hardness due to the additional alloying of the material of the layer and the presence in its structure of microlayers 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 двухслойное покрытие по предлагаемому способу.For experimental verification of the claimed method, a prototype coating was applied, as well as a two-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. При нанесении покрытия используют первый катод, изготовленный из сплава титана и кремния, второй - из титана и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают 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 cathode is used, made of an alloy of titanium and silicon, the second is made of titanium and placed opposite to the first, and the third is made of titanium and molybdenum and placed between them.

Камеру откачивают до давления 6,65⋅10-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают второй 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 второй катод и осаждают нижний слой покрытия TiN толщиной 3,0 мкм. Верхний слой покрытия TiSiMoN толщиной 3,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А, включенных первом и третьим 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 second 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 gas — nitrogen, the second cathode is turned on and the lower layer of TiN coating 3.0 μm thick is deposited. The 3.0 μm thick TiSiMoN coating is applied at a negative voltage of 160 V, a current of coils of 0.3 A, switched on by the first and third cathodes, 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.

Микротвердость покрытий определяли на микротвердомере «ПМТ-3» под нагрузкой 100 г. The microhardness of the coatings was determined on a PMT-3 microhardness meter under a load of 100 g.

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.Durable tests of the cutting tool were carried out with the longitudinal turning of blanks made of 30KhGSA steel 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 1,19-1,31 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 1.19-1.31 times.

Figure 00000001
Figure 00000001

Claims (1)

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, отличающийся тем, что наносят нижний слой из нитрида титана и верхний - из нитрида соединения титана, кремния и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 93,1-95,0, кремний 1,0-1,4, молибден 4,0-5,5, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют из сплава титана и кремния, второй - из титана и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием второго катода, а верхний слой - с использованием первого и третьего катодов.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 made of titanium nitride and the upper one is made of titanium, silicon and molybdenum compound nitride in their ratio, wt.%: Titanium 93.1- 95.0, silicon 1.0-1.4, molybdenum 4.0-5.5, and the coating layers are applied horizontally in the same plane by three cathodes, the first of which is made from an alloy of titanium and silicon, the second from titanium and have the opposite of the first, and thirds fabricated composite of titanium and molybdenum and disposed between them, the lower layer is applied using a second cathode, and the upper layer - using the first and third cathodes.
RU2015146222A 2015-10-27 2015-10-27 Method of producing sandwiched coating for cutting tool RU2616713C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015146222A RU2616713C1 (en) 2015-10-27 2015-10-27 Method of producing sandwiched coating for cutting tool

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015146222A RU2616713C1 (en) 2015-10-27 2015-10-27 Method of producing sandwiched coating for cutting tool

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2616713C1 true RU2616713C1 (en) 2017-04-18

Family

ID=58642532

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015146222A RU2616713C1 (en) 2015-10-27 2015-10-27 Method of producing sandwiched coating for cutting tool

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2616713C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7083868B2 (en) * 2002-09-04 2006-08-01 Seco Tools Ab Composite structured wear resistant coating
RU2490357C1 (en) * 2012-06-26 2013-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" Method for obtaining multi-layered coating for cutting tool
RU2495960C1 (en) * 2012-07-03 2013-10-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" Method of producing sandwiched coating for cutting tool
EP2262924B1 (en) * 2008-03-07 2014-12-03 Seco Tools AB Thermally stabilized (ti, si)n layer for cutting tool insert

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7083868B2 (en) * 2002-09-04 2006-08-01 Seco Tools Ab Composite structured wear resistant coating
EP2262924B1 (en) * 2008-03-07 2014-12-03 Seco Tools AB Thermally stabilized (ti, si)n layer for cutting tool insert
RU2490357C1 (en) * 2012-06-26 2013-08-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" Method for obtaining multi-layered coating for cutting tool
RU2495960C1 (en) * 2012-07-03 2013-10-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" Method of producing sandwiched coating for cutting tool

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2622532C1 (en) Method of producing sandwiched coating for cutting tool
RU2548852C2 (en) Method of sandwiched coating obtainment for cutting tool
RU2545972C2 (en) Method to produce multi-layer coating for cutting tool
RU2548855C2 (en) Procedure for cutting tool multi-layer coating
RU2548854C2 (en) Method of producing sandwiched coating for cutting tool
RU2622540C1 (en) Method of producing multi-layer coating for cutting tool
RU2622533C1 (en) Method of producing sandwiched coating for cutting tool
RU2620532C2 (en) Method of producing sandwiched coating for cutting tool
RU2585564C1 (en) Method for production of multi-layer coating for cutting tool
RU2548553C2 (en) Method for obtaining multi-layered coating for cutting tool
RU2548859C2 (en) Method of producing sandwiched coating for cutting tool
RU2558313C2 (en) Method for obtaining multi-layered coating for cutting tool
RU2620530C1 (en) Method of producing sandwiched coating for cutting tool
RU2616720C1 (en) Method of producing sandwiched coating for cutting tool
RU2616718C1 (en) Method of producing sandwiched coating for cutting tool
RU2622543C1 (en) Method of producing multi-layer coating for cutting tool
RU2622537C1 (en) Method of producing multi-layer coating for cutting tool
RU2548863C2 (en) Method of sandwiched coating obtainment for cutting tool
RU2585567C1 (en) Method for production of multi-layer coating for cutting tool
RU2545958C2 (en) Method to produce multi-layer coating for cutting tool
RU2548864C2 (en) Method of producing sandwiched coating for cutting tool
RU2616713C1 (en) Method of producing sandwiched coating for cutting tool
RU2622546C1 (en) Method of producing sandwiched coating for cutting tool
RU2622531C1 (en) Method of producing sandwiched coating for cutting tool
RU2622541C1 (en) Method of producing multi-layer coating for cutting tool

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171028