СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2005 года по МПК C23C14/06 C23C30/00 B23B27/14 

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 нитрид или карбонитрид тугоплавкого металла или соединения металлов, причем каждый последующий слой осаждают при меньшей температуре конденсации 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 нитридов или карбонитридов одного металла. В том случае, когда осаждается нитрид или карбонитрид соединения металлов, в компоновке установки используются либо раздельные либо составные катоды осаждаемых металлов.

Температура конденсации покрытия - это температура протекания процесса осаждения компонентов покрытия на подложку, которая идентична температуре подложки. Температура измеряется бесконтактным способом при помощи пирометра, а нагрев подложки до данной температуры осуществляется путем бомбардировки ее ионами осаждаемого металлического компонента покрытия (например, Ti). Технологически температура устанавливается напряжением, которое разгоняет ионы металла до соответствующих значений энергий, следовательно, чем выше напряжение, тем выше энергия ионов и выше температура.

Процесс нанесения покрытия состоит из двух основных стадий: ионной бомбардировки и конденсации покрытия. При ионной бомбардировке (которую еще называют ионной очисткой) производят термомеханическую активацию поверхности подложки и разогрев ее до начальной температуры. В нашем случае первоначально пластины разогревали до 560-580 градусов. Затем осуществляли процесс конденсации покрытия, при этом первый слой наносили при температуре 590-610 градусов (или 600±10) при напряжении 220 В, второй - при 490-510 градусов (500±10) при напряжении 85 В, третий - при 390-410 градусах (400±10) при напряжении 30 В и четвертый - при 340-360 градусах (350±10). При этом получается градиент твердости и остаточных напряжений с минимальными значениями на границе с инструментальной основой и максимальными у верхнего слоя. Такое распределение позволяет получить высокую прочность сцепления с основой благодаря высокотемпературному напылению нижнего слоя, обладающего высокой адгезией и низкими остаточными напряжениями. При этом верхний слой обладает высокой твердостью и сжимающими напряжениями, необходимыми для торможения трещин. Наличие между верхним и нижним слоями двух переходных слоев с плавно изменяющимися свойствами 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 различной температуре конденсации, 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.

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 обладать 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 промежуточных слоев с плавным изменением свойств от нижнего слоя к верхнему.

На повышение периода стойкости инструментов в такими покрытиями влияют следующие факторы.

Во-первых, за счет нанесения каждого слоя при разной температуре образуется слоистая структура, способствующая росту трещиностойкости покрытий.

Во-вторых, нанесение нижележащих слоев при повышенной температуре способствует росту адгезии и длительности сохранности покрытия на поверхностях инструмента.

В-третьих, благодаря тому, что все слои предлагаемых многослойных покрытий состоят из одних и тех же химических элементов, отмечается высокая прочность их связи и отсутствие расслоения покрытия.

В-четвертых, наличие высокотвердого верхнего слоя способствует росту износостойкости покрытия. В то же время применение одного такого слоя (осажденного при температуре 340-360 градусов) не дает эффекта, так как такое покрытие легко отслаивается от инструментальной основы. Нижележащие слои в нашем случае играют роль переходных между верхним высокоизносостойким слоем и инструментальной основой, обеспечивая относительно плавное изменение свойств покрытия к основе. Дополнительная их функция, как уже отмечалось выше, - торможение усталостных трещин путем релаксации на межслойных границах.

По вопросу о влиянии на температуру конденсации материала покрытия ответим, что практически все покрытия по стандартной технологии наносятся при близких значениях температур. При этом влияние на температуру конденсации оказывает не столько материал покрытия, сколько материал инструментальной основы. Так, на твердосплавный инструмент покрытия наносят обычно при температуре 560-580 градусов, на быстрорежущий - примерно 500 градусов, что определяется теплостойкостью быстрорежущей стали.

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 TiN-TiN-TiN-TiN толщиной 8 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 220 В, токе катушек 0,3 А включают три испарителя, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие TiN толщиной 2,0 мкм. Второй слой TiN толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 85 В, токе катушек 0,3 А. Третий слой TiN толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 30 В, токе катушек 0,3 А. Затем при напряжении 10 В, токе фокусирующих катушек 0,3 А осаждают верхний (четвертый) слой покрытия TiN толщиной 2,0 мкм. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Пример 2. Покрытие TiZrN-TiZrN-TiZrN-TiZrN толщиной 8 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 220 В, токе катушек 0,3 А, включают три испарителя, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие TiZrN толщиной 2,0 мкм. Второй слой TiZrN толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 85 В, токе катушек 0,3 А. Третий слой TiZrN толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 30 В, токе катушек 0,3 А. Затем при напряжении 10 В, токе фокусирующих катушек 0,3 А осаждают верхний (четвертый) слой покрытия TiZrN толщиной 2,0 мкм. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Пример 3. Покрытие TiCN-TiCN-TiCN-TiCN толщиной 8 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 220 В, токе катушек 0,4 А, включают три испарителя, подают в камеру смесь реакционных газов - азота и ацетилена с содержанием последнего в смеси 30 % и осаждают покрытие TiCN толщиной 2,0 мкм. Второй слой TiCN толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 85 В, токе катушек 0,4 А. Третий слой TiCN толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 30 В, токе катушек 0,4 А. Затем при напряжении 10 В, токе фокусирующих катушек 0,4 А осаждают верхний (четвертый) слой покрытия TiCN толщиной 2,0 мкм. 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 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 1
Результаты испытаний РИ с покрытием№ ппМатериал покрытияТолщина слоев покрытия, мкмСтойкость, минПримечание1 слой2 слой3 слой4 слой12345678Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=200 м/мин, S=0,15 мм/зуб,t=1 мм1TiN6---45Аналог2TiN-TiCN222-131Прототип3TiN-TiN-TiN-TiN2222197-4TiZrN-TiZrN-TiZrN-TiZrN2222328-5TiCN-TiCN-TiCN-TiCN2222260-

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 применимостью».

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Технический результат - повышение работоспособности режущего инструмента и качества обработки. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента включает вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия. В качестве всех слоев покрытия наносят один и тот же нитрид или карбонитрид тугоплавкого металла или соединения металлов, причем каждый последующий слой осаждают при меньшей температуре конденсации по сравнению с предыдущим. 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 нитрид или карбонитрид тугоплавкого металла или соединения металлов, причем каждый последующий слой осаждают при меньшей температуре конденсации по сравнению с предыдущим.