RU2643536C1

RU2643536C1 - Method of producing wear-resitant coating for cutting tool

Info

Publication number: RU2643536C1
Application number: RU2017111357A
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Табаков; Алексей Валерьевич Чихранов; Дамир Ильдарович Сагитов; Михаил Вячеславович Полозов
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2018-02-02

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: vacuum-plasma deposition of wear-resistant coating made of titanium nitride, niobium, aluminium, silicon and chromium are carried out at their ratio, wt %: titanium 35.4, niobium 18.2, aluminium 11.8, silicon 1.5, chromium 33.1. Deposition of coating is carried of located horizontally in the same plane with three cathodes, the first of them is produced compound of niobium and aluminium and silicon alloy, the second of chrome, and is placed the opposite of the first, and the third made of titanium and is placed between them.

EFFECT: increased cutting tool serviceability.

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 и кремния (TiSiN) (см. Чихранов А.В. Повышение работоспособности режущего инструмента путем разработки и применения многоэлементных износостойких покрытий на основе модифицированного нитрида титана: дисс. … канд. тех. наук: 05.03.01, 2006. - 314 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 and silicon nitride (TiSiN) is applied on its surface using a vacuum-plasma method (see Chikhranov A.V. Improving the operability of a cutting tool by developing and using multi-element wear-resistant coatings based on modified titanium nitride: Diss. ... Ph.D. in Engineering Sciences: 05.03.01, 2006. - 314 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 coated radiation.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ нанесения износостойкого покрытия из нитрида титана, кремния и алюминия TiSiAlN (см. Чихранов А.В. Повышение работоспособности режущего инструмента путем разработки и применения многоэлементных износостойких покрытий на основе модифицированного нитрида титана: дисс. … канд. тех. наук: 05.03.01, 2006. - 314 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, silicon and aluminum TiSiAlN (see Chikhranov A.V. Diss. ... Candidate of Technical Sciences: 05.03.01, 2006. - 314 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 титана, ниобия, алюминия, кремния и хрома при их соотношении, мас. %: титан 35,4, ниобий 18,2, алюминий 11,8, кремний 1,5, хром 33,1, а нанесение покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых изготавливают составным из ниобия и сплава алюминия и кремния, второй - из хрома и располагают противоположно первому, а третий изготавливают из титана и располагают между ними.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by applying a wear-resistant coating of titanium nitride, niobium, aluminum, silicon and chromium at their ratio, wt. %: titanium 35.4, niobium 18.2, aluminum 11.8, silicon 1.5, chromium 33.1, and the coating is carried out horizontally in the same plane by three cathodes, the first of which is made of niobium and an aluminum alloy and silicon, the second is made of chromium and placed opposite to the first, and the third is made of titanium 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 катод, изготовленный из ниобия и сплава алюминия и кремния, второй - из хрома и располагают противоположно первому, а третий изготавливают из титана и располагают между ними. Камеру откачивают до давления 6,65⋅10^-3Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают катод из титана и при токе дуги 100 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°С. 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 износостойкое покрытие TiNbAlSiCrN 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 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 cathode is used, made of niobium and an alloy of aluminum and silicon, the second is made of chromium and is opposite to the first, and the third is made of titanium and placed between them. 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 cathode is made of titanium 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 reactive nitrogen gas, all three cathodes are turned on and a wear-resistant coating of TiNbAlSiCrN 6 μm thick is deposited. 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 16K20. 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.Durability 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 1,34 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 1.34 times.

Claims

A method of obtaining a wear-resistant coating for a cutting tool, including vacuum-plasma coating, characterized in that a wear-resistant coating of titanium nitride, niobium, aluminum, silicon and chromium is applied at their ratio, wt. %: titanium 35.4, niobium 18.2, aluminum 11.8, silicon 1.5, chromium 33.1, and the coating is carried out horizontally in the same plane by three cathodes, the first of which is made of niobium and an aluminum alloy and silicon, the second is made of chromium and placed opposite to the first, and the third is made of titanium and placed between them.