RU2716334C1 - Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента - Google Patents
Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента Download PDFInfo
- Publication number
- RU2716334C1 RU2716334C1 RU2019129414A RU2019129414A RU2716334C1 RU 2716334 C1 RU2716334 C1 RU 2716334C1 RU 2019129414 A RU2019129414 A RU 2019129414A RU 2019129414 A RU2019129414 A RU 2019129414A RU 2716334 C1 RU2716334 C1 RU 2716334C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- niobium
- cathodes
- titanium
- zirconium
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
- B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING 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
- C23C—COATING 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
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING 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
- C23C—COATING 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
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/24—Vacuum 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)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретение относится к нанесению износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия. Сначала наносят нижний слой из нитрида ниобия. Затем наносят верхний слой из нитрида соединения ниобия, титана и циркония при их соотношении, мас. %: ниобий 59,0, титан 26,5-31,5, цирконий 9,5-14,5. Нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют из ниобия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают из составным из титана и циркония и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и второго катодов, а верхний слой - с использованием указанных трех катодов. Обеспечивается сокращение времени нанесения покрытия и повышение работоспособности режущего инструмента с многослойным покрытием. 1 табл.
Description
Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.
Известен способ повышения стойкости режущего инструмента (РИ), при котором на его поверхность вакуумно-плазменным методом наносят износостойкое покрытие (ИП) из нитрида титана и ниобия (NbTiN) (см. патент на изобретение RU 2640693 С1). К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе покрытия имеют относительно низкую твердость и адгезионную прочность. 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.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ нанесения многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида ниобия NbN и верхнего слоя нитрида титана, циркония и ниобия TiZrNbN (см. патент на изобретение RU 2622532 С1), принятый за прототип.
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 и величиной сжимающих остаточных напряжений. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам износа и разрушения и быстро разрушается при резании.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата также относится недостаточная эффективность использования технологической схемы нанесения покрытия: при осаждении нижнего слоя покрытия используется только один из трех катодов, что снижает скорость нанесения покрытия и увеличивает время технологической операции, и как следствие материальные издержки (затраты на электроэнергию, оплату труда и т.д.).
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, повышение уровня сжимающих остаточных напряжений и создание микрослоистости в верхнем слое покрытия приводит к увеличению его твердости и трещиностойкости и, как следствие, работоспособности РИ с покрытием.
Технический результат - повышение работоспособности РИ и сокращение времени нанесения покрытия.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что наносят нижний слой из нитрида ниобия и верхний из нитрида соединения ниобия, титана и циркония при их соотношении, мас. %: ниобий 59,0, титан 26,5-31,5, цирконий 9,5-14,5, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют из ниобия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и циркония и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и второго катодов, а верхний слой - с использованием всех трех катодов.
Такая структура покрытия позволяет получить высокую прочность сцепления с основой из-за наличия в покрытии нижнего слоя нитрида ниобия, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой. При этом верхний слой обладает высокой твердостью из-за дополнительного легирования материала слоя и наличию в их структуре микрослоистости, получаемой при нанесении покрытий с использованием предлагаемой схемы расположения катодов.
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 иметь высокие остаточные сжимающие напряжения и 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.
Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанной технологии получения, показали более низкие результаты.
Для экспериментальной проверки заявленного способа было нанесено покрытие-прототип, а также двухслойное покрытие по предлагаемому способу.
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 ниобия, второй - из ниобия и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и циркония и располагают между ними.
Камеру откачивают до давления 6,65⋅10-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают третий катод 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 первый и второй катоды и осаждают нижний слой покрытия NbN толщиной 4,0 мкм. Верхний слой покрытия NbTiZrN толщиной 2,0 мкм наносят с использованием всех трех катодов при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А 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.
Микротвердость покрытий определяли на микротвердомере «ПМТ-3» под нагрузкой 100 г. Остаточные напряжения определяли на рентгеновском дифрактометре «ДРОН-3М» с использованием фильтрованного CuKα-излучения. Прочность адгезии покрытия с инструментальной основой оценивали методом вдавливания алмазного конического индентора (конус Роквелла) с использованием твердомера ТК-2М при нагрузке 1000 Н. Прочность сцепления определяли по коэффициенту отслоения, равному отношению площади отслоения покрытия вокруг отпечатка от индентора к площади отпечатка.
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.
В табл. 1 приведены результаты испытаний РИ с полученными покрытиями.
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 1,25 раза. При этом время осаждения покрытия сократилось в 1,17 раза.
Claims (1)
- Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, отличающийся тем, что наносят нижний слой из нитрида ниобия и верхний из нитрида соединения ниобия, титана и циркония при их соотношении, мас. %: ниобий 59,0, титан 26,5-31,5, цирконий 9,5-14,5, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют из ниобия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и циркония и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и второго катодов, а верхний слой - с использованием указанных трех катодов.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019129414A RU2716334C1 (ru) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019129414A RU2716334C1 (ru) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2716334C1 true RU2716334C1 (ru) | 2020-03-11 |
Family
ID=69898299
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019129414A RU2716334C1 (ru) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2716334C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20090068450A1 (en) * | 2005-07-15 | 2009-03-12 | Wolf-Dieter Muenz | Method and Apparatus for Multi-Cathode PVD Coating and Substrate with PVD Coating |
RU2478138C1 (ru) * | 2011-12-02 | 2013-03-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Способ вакуумного ионно-плазменного нанесения многослойного износостойкого покрытия для режущего инструмента |
RU2620530C1 (ru) * | 2015-12-15 | 2017-05-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
RU2622532C1 (ru) * | 2015-12-15 | 2017-06-16 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
-
2019
- 2019-09-17 RU RU2019129414A patent/RU2716334C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20090068450A1 (en) * | 2005-07-15 | 2009-03-12 | Wolf-Dieter Muenz | Method and Apparatus for Multi-Cathode PVD Coating and Substrate with PVD Coating |
RU2478138C1 (ru) * | 2011-12-02 | 2013-03-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Способ вакуумного ионно-плазменного нанесения многослойного износостойкого покрытия для режущего инструмента |
RU2620530C1 (ru) * | 2015-12-15 | 2017-05-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
RU2622532C1 (ru) * | 2015-12-15 | 2017-06-16 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2622532C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2545955C2 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2545972C2 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2639425C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2622540C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2716334C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2716384C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2585564C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2717132C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2720014C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2720003C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2717130C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2720006C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2717428C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2548856C2 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2717129C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2637865C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2620530C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2622537C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2616718C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2548863C2 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2630734C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2638874C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2639192C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента | |
RU2630735C1 (ru) | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |