SU1132446A1

SU1132446A1 - Wear-resistant coating for cutting tools

Info

Publication number: SU1132446A1
Application number: SU833673199A
Authority: SU
Inventors: А.Г. Гаврилов; Г.К. Галицкая; В.П. Жедь; А.К. Синельщиков; Е.М. Степнов; Г.В. Лукьяненко
Original assignee: Всесоюзный Научно-Исследовательский Инструментальный Институт
Priority date: 1983-12-12
Filing date: 1983-12-12
Publication date: 1990-01-15

Abstract

ИЗНОСОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ РЕ}Й ЩЕГО ИНСТРУМЕНТА, содержащее слон по крайней мере двух тугоплавких соединений металлов, отличающеес тем, что, с целью повышени стойкости покрыти , его слои выполнены из тугоплавких соединений с крис .таллическими решеткаьда одного и того же структурного типа.WEAR-RESISTANT COATING OF THE RE} TH OF A SMALL TOOL, containing an elephant of at least two refractory metal compounds, characterized in that, in order to increase the resistance of the coating, its layers are made of refractory compounds with crystal lattices of the same structural type.

Description

Изобретение относитс к металлообработке , в частности к износостойким . покрыти м режущего инструмента.This invention relates to metal working, in particular to wear-resistant. cutting tool covers.

Известно износостойкое . покрытие режущего инструмента из нитрида или карбида титана или циркони , в котором твердость увеличиваетс от подложки к покрытию за счет постепенного увеличе1ш в реакционной камере в процессе формировани покрыти концентрации реагента, содержащего неметаллический компонент покрыти : азот или углерод.Known wear-resistant. coating the cutting tool from nitride or titanium or zirconium carbide, in which the hardness increases from substrate to coating due to the gradual increase in the reaction chamber during the formation of the coating the concentration of the reagent containing a non-metallic component of the coating: nitrogen or carbon.

В известном покрытии кристаллическа решетка слоев, непосредственно прилежащих к подложке, может отличатьс от .кристаллической решетки поверхностных , слоев. Однако известное покрытие не расслаиваетс в процессе эксплуатации, так как внутренние напр жени , развивающиес в покрытии под действием сил резани , гас тс в более пластичных сло х.In a known coating, the crystal lattice of the layers directly adjacent to the substrate may differ from the crystal lattice of the surface layers. However, the known coating does not delaminate during operation, since internal stresses developing in the coating under the action of cutting forces are extinguished in more plastic layers.

(Л(L

Однако при зксплуатации это покрытие недостаточно стойко, так как оно включает обогащенные слои чистым металлом , более активным по отношению к обрабатываемому металлу, чем тугоплавкие соединени металлов. Дл такого покрыти характерен адгезионный However, when used, this coating is not sufficiently resistant, since it includes enriched layers of pure metal, more active in relation to the metal being treated, than refractory metal compounds. For such a coating characteristic adhesive

со to износ.with to wear.

Наиболее близким техническим решением к предложенному вл етс износо4 4 стойкое покрытие режущего инструмента , содержащее чередующиес слои по The closest technical solution to the proposed is a wear 4 4 resistant coating of the cutting tool containing alternating layers of

О) крайней мере двух тугоплавких соединений металлов.O) at least two refractory metal compounds.

Известное покрытие состоит из тугоплавких соединений титана с элементами С и/или N, имеющих кристаллическую решетку типа NaCl, и тугоплавкой окиси алюмини ,котора вне зависимости от .услови образовани не кристаллизуетс в решетке этого типа. Следовательно, тугоплавкие соединени , образующие слой известного износостойкойго покрыти , имеют кристаллические решетки разных структурных типов. Недостатком такого покрыти вл етс сравнительно низка стойкость, объ сн ема его расслаивание под воздействием тепловых и динамических нагрузок в процессе эксплуатации. Расслаивание покрыти обусловлено двум факторами. Во-первых, разнотипностью кристаллических решеток, из-за чего не все атомы тугоплавких соединений, наход щихс на границе раздела слоев, оказываютс взаимосв занными валентными св з ми. Это приводит к возрастанию на границе раздела слоев, состо щих из туго плавких соединений с кристаллически в решетками разных типов, уровн свободной энергии, что активирует процессы миграции дефектов кристаллической структуры, Скоштени дефектов инициируют образование трещин и, в конечном , привод т к расслаиванию покрыти . Поскольку на границе раздела слоев сопр гаютс кристаллические решетки разных типов, часть атомов занимает не характерные дл них положени в узлах кристаллической решетки соединени , образунэдего соседний слой. Это повьш1ает уровень внутренних напр жений.в области сопр жени решеток разных типов, снижает силу межатомных св зей и вл етс вторым фактором, привод 1дам к расслаиванию покрыти . Цель изобретени - повышение СТОЙ кости покрыти . Поставленна цель достигаетс тем что в износостойком покрытии режущег инструмента, содержащем слои по край ней мере двух тугоплавких соединений металлов, покрытие выполнено из туго плавких соединений с кристаллическими решетками одного и того же структурного типа, На фиг,1 представлен общий вид предложенного многослойного покрыти нанесенного на основу; на схема соединени кристаллических решеток одного структурного типа на границе раздела соседних слоев пред ложенного покрыти ; на фиг,3 - схема соединени кристаллических решеток разного структурного типа на границе раздела соседних слоев покрыти прототипа . Покрытие 1 состоит из чередуюпщх- с слоев 2,3 (фиг,1), состо щих по крайней мере из 2-х тугоплавких соединений , разделенных границами раздела 4, Слои покрыти нанесены на основу 5, Тугоплавкие соединени , образукгщие слои покрытий, могут не иметь общих элементов, но должны кристаллизоватьс в решетке одного и того же структурного типа. Така конструкци износостойкого покрыти позвол ет свести до минимального значени действи указанных выше факторов, привод щих в расслаиванию покрыти , а именно: высокого уровн свободной энергии на границе раздела слоев; высокого уровн внутренних напр жений и снижени силы св зей между атомами, наход щимис на границе раздела слоев. Конструкци предложенного износостойкого покрыти позвол ет использовать тугоплавкие соединени различных химических и физических свойств. При этом, благодар одинаковому типу их кристаллических решеток , тепловые и динамические нагрузки при эксплуатации покрыти не вызывают разрыва межатомных св зей на границе раздела его слоев, вследствие чего не пpoиcxo ц т расслаивани покрыти . Предложенное покрытие может быть нанесено любым известным в указанной области способом. Изобретение иллюстрируетс следу|(Г щими примерами. На сверла из быcтpopeicyщeй стали Р6М5 были нанесены износостойкие покрыти способом конденсации с ионной бомбардировкой, согласно которому сверла помещали в камеру, где создавалс вакуум с давлением (1-5)х рт,ст,, после чего в камере испарением по крайней мере одного металла, вход щего в состав тугоплавких соединений, образующих слои покрыти , создавалс пароплазмешшй по- ток металла. На сверла подавалось отрицательное напр жение 1-1,1 кВ, Воздейстшсем ионной составл ющей пароплазменного потока металла прей вводилась очистка поверхности сверл и pasorpei их основы до температурыThe known coating consists of refractory titanium compounds with C and / or N elements having an NaCl crystal lattice, and refractory alumina, which, regardless of the formation conditions, does not crystallize in this type of lattice. Consequently, the refractory compounds that form a layer of the known wear-resistant coating have crystal lattices of different structural types. The disadvantage of such a coating is relatively low resistance, due to its delamination under the influence of thermal and dynamic loads during operation. The delamination of the coating is due to two factors. Firstly, the heterogeneity of the crystal lattices, which is why not all atoms of the refractory compounds located at the interface of the layers are interconnected valence bonds. This leads to an increase at the interface between layers consisting of fusible compounds with crystals in lattices of different types, the level of free energy, which activates the migration of defects in the crystal structure, Skuffing defects initiate the formation of cracks and, ultimately, lead to delamination of the coating. Since at the interface of the layers there are crystal lattices of different types, some of the atoms occupy positions that are not characteristic of them in the lattice sites of the compound that forms the adjacent layer. This increases the level of internal stresses. In the junction region of lattices of different types, reduces the strength of interatomic bonds and is the second factor leading to delamination of the coating. The purpose of the invention is to increase the cost of bone coating. The goal is achieved by the fact that in a wear-resistant coating of a cutting tool containing layers of at least two refractory metal compounds, the coating is made of tightly fusible compounds with crystal lattices of the same structural type, Fig, 1 shows a general view of the proposed multilayer coating applied to basis; on the connection scheme of crystal lattices of one structural type at the interface of adjacent layers of the proposed coating; Fig. 3 is a diagram of the connection of crystal lattices of different structural types at the interface of adjacent layers of the coating of the prototype. Coating 1 consists of alternating layers of 2,3 (Fig 1) consisting of at least 2 refractory compounds separated by section 4 boundaries. Coating layers are applied to base 5 Refractory compounds forming layers of coatings may not have common elements, but must crystallize in a lattice of the same structural type. Such a design of the wear-resistant coating makes it possible to reduce to a minimum the effect of the factors mentioned above which lead to the delamination of the coating, namely: a high level of free energy at the interface between the layers; a high level of internal stresses and a decrease in the strength of the bonds between the atoms located at the interface between the layers. The design of the proposed wear resistant coating allows the use of refractory compounds of various chemical and physical properties. At the same time, due to the same type of their crystal lattices, the thermal and dynamic loads during the operation of the coating do not cause the rupture of interatomic bonds at the interface of its layers, as a result of which there is no way that the coating is peeled off. The proposed coating can be applied by any method known in the art. The invention is illustrated with the following | (General examples. Wear-resistant R6M5 steel drills were coated with wear-resistant coatings by ion bombardment condensation, according to which the drills were placed in a chamber where a vacuum was created with a pressure of (1-5) x hg, st, then In the chamber, a vapor-plasma mixture flow was created by evaporation of at least one metal entering into the composition of the refractory compounds forming the coating layers. A negative voltage of 1-1.1 kV was applied to the drills. From the metal flow, prey was introduced cleaning the surface of the drills and pasorpei their bases to a temperature

520-540°С, Затем в камеру вводилс газ-реагент при давлении (2-6) х X 10 мм рт.ст. Составы слоев покрыти формировались в процессе нанесени покрыти изменением испар емого металла и состава газа-реагента, В процессе нанесени покрыти напр жение на сверлах регулировалось в диапазоне 200-300 В, Покрытие, состо щее из слоев соединений одного и того же металла с различными элементами из группы С,N,О,В,Si наносилось при испарении металла в присутствии различных газов-реагентов.520-540 ° C. Then the reagent gas was introduced into the chamber at a pressure of (2-6) x X 10 mm Hg. The compositions of the coating layers were formed during the coating process by changing the evaporated metal and the composition of the reagent gas. During the coating process, the voltage on the drills was regulated in the range of 200-300 V. The coating consisting of layers of compounds of the same metal with different elements Groups C, N, O, B, Si were deposited by evaporation of the metal in the presence of various reagent gases.

Покрыти , включающие чередующиес слои тугоплавких соединений различных металлов, наносились при последовательном испарении в вакууме различных металлов, как в атмосфере одного и того же газа-реагента, так и при изменении его состаэа в процессе нанесени ,Coatings, including alternating layers of refractory compounds of various metals, were deposited by successive evaporation in vacuum of various metals, both in the atmosphere of the same reagent gas and when its composition changed during the deposition process,

Варианты выполнени предложенного покрыти , включающего слои по крайней мере 2-х тугоплавких соединений металлов с элементами из группы С,N,О.В,Si, имеющих кристаллические рещетки одного и того же структурного типа, а также покрыти -прототипа, слои которого состо т из тугоплавких соединений, имеющих кристаллические решетки различных структуриых типов, а также результаты испытаний стойкости сверл с покрытием, представлены в таблице.Embodiments of the proposed coating comprising layers of at least 2 refractory metal compounds with elements from the group C, N, O.V, Si having crystal lattices of the same structural type, as well as the coating of the prototype, the layers of which are of the refractory compounds having crystal lattices of various structural types, as well as the results of tests of the resistance of coated drills, are presented in the table.

Покрыти наносились на партию сверл из стали Р6М5 5 мм. в количестве 15 шт. Толщина каждого покрыти - 5 мкм. Нанесение покрытий осуществл лось на установке Булат-ЗТ, При нанесении покрытий из нитридов, карбидов, окислов, боросилицидов в камеру вводилс соответственно азот, ацетилен кислород, силан, диборан, Дл нанесени слоев соединений, в состав которых вход т несколько мет ал лов, в вакуумной камере испар лись сплавы этих металлов в присутствии газов-реагентов.The coatings were applied to a batch of 5 mm P6M5 steel drills. in the amount of 15 pcs. The thickness of each coating is 5 µm. Coating was carried out on a Bulat-ZT installation. When coating was applied from nitrides, carbides, oxides, borosilicides, nitrogen, acetylene oxygen, silane, diborane, were introduced into the chamber, respectively. To deposit layers of compounds that included several metals, The alloys of these metals were evaporated in a vacuum chamber in the presence of reagent gases.

Покрыти испытывались при сверлении отверстий в стали Д5 глубинойCoatings were tested when drilling holes in steel D5 depth

5 15 мм на-вертикально-сверлильном станке на режимах резани : V 45 м/мин,- S - 0,18 мм/об, 1 3d, охлаждение ЭТ-2, обильное. Критерий затуплени - скрип сверла,5–15 mm on a vertical drilling machine at cutting modes: V 45 m / min, –S - 0.18 mm / rev, 1 3d, ET-2 cooling, abundant. Bluntness criterion - drill creak,

0 Испытани показали, что стойкость сверл с предложенным покрытием по сравнению с покрытием-прототипом и сверлами с наиболее широко распространенным в насто щее врем покрытием0 Tests have shown that the resistance of the drills with the proposed coating in comparison with the prototype coating and the drills with the most widely used coating at the present time.

5 из Tic вьпне соответственно в 1,8 и 2,6 раза.5 of Tic, respectively, 1.8 and 2.6 times, respectively.

Покрытие может быть нанесено на металлы, твердые сплавы, керамику и другие материалы,The coating can be applied to metals, hard alloys, ceramics and other materials.

0 Технико-экономическа эффективность предложенного износостойкого покрыти издели заключаетс в повы- щении его стойкости по сравнению со стойкостью покрыти -прототипа более0 Technical and economic efficiency of the proposed wear-resistant coating of the product is to increase its resistance compared with the resistance of the coating of the prototype more

с чем в 1,7 раза.with than 1.7 times.

Покрытие может быть нанесено на режущий инструмент, предназначенный дл различных видов обработки материалов резанием.The coating may be applied to cutting tools intended for various types of material cutting.

иг.1ig.1

Claims

WEARABLE COVERING OF THE CUTTING TOOL, containing layers of at least two refractory metal compounds, characterized in that, in order to increase the resistance of the coating, its layers are made of refractory compounds with a crystal lattice »® of the same structural type.