СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2005 года по МПК C23C14/06 C23C14/32 

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-дуговым методом наносят покрытие из нитрида титана (TiN) или карбонитрида титана (TiCN) (см. Табаков В.П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана. Ульяновск: УлГТУ, 1998. 122 с.). К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе покрытия, обладающие хорошей адгезией к инструментальному материалу, имеют относительно низкую твердость и уровень сжимающих напряжений либо имеют высокую микротвердость, но недостаточную прочность сцепления с инструментальной основой. В результате этого покрытие легко подвергается абразивному 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 повышения стойкости РИ, включающий химическое нанесение многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида титана TIN и верхнего слоя карбонитрида титана TiCN (см. Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1986 - 192 с.), принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе многослойное покрытие содержит слои нитрида и карбонитрида титана, обладающие низкой прочностью сцепления с инструментальной основой и друг с другом и низкой трещиностойкостью. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам износа и разрушения и быстро разрушается при резании.

Повышение в последнее время стоимости металлорежущего инструмента и ужесточение требований к точности обрабатываемых деталей сделало еще более актуальной проблему повышения стойкости РИ. Основной причиной разрушения покрытия является возникновение трещин из-за деформации режущего клина и адгезионно-усталостных явлений, являющихся причиной появления выкрашиваний материала ИП на контактных площадках. Причем для многослойных покрытий наблюдается расслоение слоев под воздействием сходящей стружки. Одним из путей повышения стойкости и работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа со слоями различной твердости, что позволяет создавать на пути трещин преграды в виде границ между слоями. Для повышения прочности сцепления покрытия с инструментальной основой оно должно иметь в своем составе слои с повышенными адгезионными свойствами. Для увеличения прочности адгезии покрытия и инструментальной основы можно использовать осаждение слоев при различной температуре конденсации. Повысить прочность сцепления слоев можно за счет обеспечения их сродства друг с другом.

Технический результат - повышение работоспособности РИ и качества обработки.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе на рабочие поверхности РИ вакуумно-дуговым методом наносится многослойное покрытие. Особенность заявляемого способа заключается в том, что в качестве всех слоев многослойного покрытия наносят один и тот же карбонитрид тугоплавкого металла или соединения металлов, причем каждый последующий слой осаждают при большем содержании ацетилена в смеси реакционных газов по сравнению с предыдущим. Компоновка установки для нанесения покрытия включает три одновременно работающих при нанесении всех слоев катода из осаждаемого материала в случае осаждения слоев на основе карбонитридов одного металла. В том случае когда осаждается карбонитрид соединения металлов, в компоновке установки используются либо раздельные либо составные катоды осаждаемых металлов. Нижний слой осаждается при содержании ацетилена в смеси газов 15% с целью получения наивысшей прочности сцепления с основой. Промежуточный слой осаждается при содержании ацетилена в смеси газов 25%, а верхний - при 35% с целью получения высоких микротвердости и сжимающих напряжений. Это позволяет получить высокую прочность сцепления с основой благодаря высокой адгезии и низким остаточным напряжениям нижнего слоя. При этом верхний слой обладает высокой твердостью, износостойкостью и сжимающими напряжениями, необходимыми для торможения трещин. Наличие между верхним и нижним слоями промежуточного слоя позволяет снизить перепады твердости и напряжений на границах слоев, что повышает прочность их связи. Увеличению трещиностойкости способствует слоистая структура покрытия, благодаря которой трещины тормозятся на границах слоев. Также слои покрытия, осажденные при различном содержании ацетилена, обладают различной твердостью, что способствует лучшему торможению трещин. Благодаря тому что все слои имеют высокое химическое сродство, так как являются модификацией одного химического соединения, достигается высокая прочность их сцепления друг с другом.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источников, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию ″новизна″.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию ″изобретательский уровень″ заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа повышения стойкости РИ. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. В частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:

- дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;

- замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

- исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;

- увеличение количества однотипных элементов, действий для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий;

- выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;

- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию ″изобретательский уровень″.

Сущность изобретения заключается в следующем. В покрытии при резании происходят процессы трещинообразования, приводящие к его разрушению. Кроме этого, из-за недостаточной прочности сцепления с инструментальной основой и слоев внутри многослойного покрытия возможно разрушение последнего в результате адгезионно-усталостных явлений на контактных площадках. В этих условиях покрытие должно иметь слоистую структуру с участками разной твердости для торможения трещин. Нижний слой покрытия должен высокой адгезией с инструментальным материалом. Верхний слой должен обладать высокой твердостью и сжимающими напряжения для повышения износо- и трещиностойкости. При этом слои многослойного покрытия должны иметь высокую прочность связи друг с другом, что обеспечивается введением промежуточного слоя для плавным изменением свойств от нижнего слоя к верхнему.

Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанной технологии получения, показали более низкие результаты.

Для экспериментальной проверки заявленного способа было нанесено покрытие-прототип с соотношением слоев, соответствующим оптимальному значению, указанному в известном способе, а также трехслойное покрытие по предлагаемому способу. Покрытия наносили на твердосплавные пластины в вакуумной камере установки ″Булат-6Т″, снабженной тремя вакуумно-дуговыми испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости.

Ниже приведены конкретные примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. Покрытие TiCN-TiCN-TiCN толщиной 6 мкм.

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 испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. Материал всех катодов - титановый сплав ВТ1-0. Камеру откачивают до давления 6,65·10^-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают один испаритель 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 0,4 А включают три испарителя, подают в камеру смесь реакционных газов - азота и ацетилена с содержанием последнего в смеси 15% и осаждают покрытие TiCN толщиной 2,0 мкм. Второй слой TiCN толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,4 А и содержании ацетилена 25%. Третий (верхний) слой TiCN толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,4 А и содержании ацетилена 35%. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Пример 2. Покрытие TiZrCN-TiZrCN-TiZrCN толщиной 6 мкм.

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 испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. Материал двух противоположных катодов - титановый сплав ВТ1-0, между ними расположен катод из циркониевого сплава Э-110. Камеру откачивают до давления 6,65·10^-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают один испаритель 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 140 В, токе катушек 0,3 А включают три испарителя, подают в камеру смесь реакционных газов - азота и ацетилена с содержанием последнего 15% и осаждают покрытие TiZrCN толщиной 2,0 мкм. Второй слой TiZrCN толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 140 В, токе катушек 0,3 А и содержании ацетилена 25%. Третий (верхний) слой TiZrCN толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 140 В, токе катушек 0,3 А и содержании ацетилена 35%. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Стойкостные испытания проводили на токарном станке модели 1К62 при обработке заготовок из конструкционной стали 5ХНМ. Испытывали твердосплавные пластины марки МК8, обработанные по известному и предлагаемому способам. Критерием износа служила фаска износа по задней поверхности шириной 0,4 мм.

Как видно из приведенных в табл.1 данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше износостойкости пластин, обработанных по способу-прототипу, в 1,5-2,5 раза.

Таблица 1Результаты испытаний РИ с покрытием№ппМатериал покрытияТолщина слоев покрытия, мкмСтойкость, минПримечание1 слой2 слой3 слой1234567Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=200 м/мин, S=0,15 мм/зуб, t=1 мм1TiN6--45Аналог2TiN-TiCN222131Прототип3TiCN-TiCN-TiCN222197-4TiZrCN-TiZrCN-TiZrCN222328-1. Инструментальный материал – МК8

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа получения износостойкого покрытия для РИ следующей совокупности условий:

- способ получения многослойного покрытия для РИ, воплощающий заявленный способ при его осуществлении, предназначен для использования в промышленности, а именно для нанесения износостойких покрытий на РИ, и может быть использован в металлообработке;

- для заявленного способа получения многослойного покрытия для РИ в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью известных до даты приоритета средств и методов;

- способ получения многослойного покрытия для получения износостойкого покрытия для РИ, воплощающий заявленный способ при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию ″промышленная применимость″.

Изобретение относится к способу нанесения многослойного покрытия на режущий инструмент и может быть использовано в различных отраслях машиностроения при металлообработке. На рабочие поверхности инструмента наносят вакуумно-плазменное многослойное покрытие. В качестве всех его слоев наносят один и тот же карбонитрид тугоплавкого металла или соединения металлов. Каждый последующий слой осаждают при большем содержании ацетилена в смеси реакционных газов по сравнению с предыдущим. В результате повышается работоспособность режущего инструмента за счет создания слоев различной твердости, что создает преграды на пути возможных трещин. 1 табл.

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, отличающийся тем, что в качестве всех его слоев наносят один и тот же карбонитрид тугоплавкого металла или соединения металлов, причем каждый последующий слой осаждают при большем содержании ацетилена в смеси реакционных газов по сравнению с предыдущим.