RU2637860C1

RU2637860C1 - Method of producing wear resistant coating for cutting tool

Info

Publication number: RU2637860C1
Application number: RU2016140297A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Табаков; Алексей Валерьевич Чихранов; Гузель Ренатовна Мидарова; Михаил Вячеславович Полозов
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2017-12-07

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: vacuum-plasma deposition of wear-resistant coating made of nitride or carbonitride of niobium and zirconium at their ratio %: Niobium 50.1, zirconium 49.9. Coating is carried out horizontally arranged in one plane by three cathodes, the first and the second of which are made of niobium and positioned opposite to each other, and the third is made of zirconium and placed between them.

EFFECT: higher cutting tool 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. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента. - М.: Машиностроение, 2008. - 311 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. Formation of wear-resistant ion-plasma coatings of a cutting tool. - M .: Engineering, 2008. - 311 p.). 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 износостойкого покрытия из 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 wear-resistant coating of titanium nitride and zirconium TiZrN (see Tabakov V.P., Chikhranov A.V. Wear-resistant coatings of a cutting tool operating in continuous cutting conditions - 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 износостойкое покрытие обладает недостаточной твердостью, а следовательно, трещиностойкостью. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам износа и разрушения и быстро разрушается при резании.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using a known cutting tool with a coating adopted as a prototype include the fact that in the known method, the wear-resistant coating 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, обладающих высокой твердостью, трещино- и износостойкостью. Такой эффект может быть достигнут целенаправленным легированием и созданием микрослоистости покрытия при его осаждении.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 durability and, as a consequence, the performance of RI coated is to coat with high hardness, crack and wear resistance. Such an effect can be achieved by targeted doping and by creating a micro-layer of the coating during its deposition.

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 износостойкое покрытие из нитрида или карбонитрида ниобия и циркония при их соотношении, % ат.: ниобий 50,1, цирконий 49,9, а нанесение покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых изготавливают из ниобия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают из циркония и располагают между ними.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by applying a wear-resistant coating of nitride or carbonitride of niobium and zirconium with their ratio,% at .: niobium 50.1, zirconium 49.9, and the coating is carried out horizontally in the same plane by three cathodes, the first and second of which are made of niobium and placed opposite to each other, and the third is made of zirconium and placed between them.

Такое расположение катодов позволяет получить при осаждении покрытия наибольшее количество микрослоев в покрытии с хорошей адгезией между ними и максимальным их упрочнением за счет взаимного легирования элементами из разных катодов.This arrangement of the cathodes makes it possible to obtain the largest number of microlayers in the coating during coating deposition with good adhesion between them and their maximum hardening due to the mutual doping with elements from different 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. Покрытие должно обладать высокой твердостью для повышения износо- и трещиностойкости.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 coating should have high hardness to increase wear and crack resistance.

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 износостойкие покрытия по предлагаемому способу.For experimental verification of the claimed method, a prototype coating was applied, as well as wear-resistant coatings according to the proposed method.

Нанесение предлагаемых покрытий 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 ниобия и расположенные противоположно друг другу, а третий изготавливают из циркония и располагают между ними.The application of the proposed coatings 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 niobium and located opposite each other are used, and the third is made of zirconium 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 катод из циркония 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 для нанесения нитридных покрытий или 70% азота и 30% ацетилена для нанесения карбонитридных покрытий) включают все три катода и осаждают износостойкое покрытие NbZrN или NbZrCN толщиной 6 мкм. 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 rotary device is turned on, a negative voltage of 1.1 kV is applied to it, the zirconium 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, with a negative voltage of 160 V, a coil current of 0.3 A and a supply of reaction gas (nitrogen for applying nitride coatings or 70% nitrogen and 30% acetylene for applying carbonitride coatings), all three cathodes are turned on and deposited wear resistant NbZrN or NbZrCN coating with a thickness of 6 microns. 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=180 м/мин, подача S=0,3 мм/об, глубина резания t=1,5 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 = 180 m / min, feed S = 0.3 mm / rev, cutting depth t = 1.5 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 табл. 1 данных, стойкость пластин, с покрытиями, нанесенными по предлагаемому способу, выше стойкости пластин с покрытием, нанесенным по способу-прототипу в 1,24-1,43 раза.As can be seen from the table. 1 data, 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 1.24-1.43 times.

Claims

A method of obtaining a wear-resistant coating for a cutting tool, including vacuum-plasma coating, characterized in that the wear-resistant coating is made of nitride or carbonitride of niobium and zirconium at their ratio, at. %: niobium 50.1, zirconium 49.9, while the coating is carried out horizontally located in the same plane by three cathodes, the first and second of which are made of niobium and placed opposite each other, and the third is made of zirconium and placed between them.