СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2007 года по МПК C23C14/24 C23C14/06 

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.

Известен способ получения износостойкого покрытия для 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, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида титана TiN и верхнего слоя нитрида титана-циркония TiZrN (см. Свидетельство на полезную модель RU 27089 U1, МПК 7 С 23 С 14/00. - 10.01.2003. - Бюл. №1), 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, имеющие низкую прочность, износостойкость и трещиностойкость. 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 износа РИ является возникновение трещин в его режущей части, являющихся причиной появления сколов и выкрашиваний, связанных с усталостным разрушением и явлением ползучести режущего клина РИ. Одним из путей повышения стойкости и работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа. Наличие в покрытии слоев с определенными теплофизическими и механическими свойствами способно тормозить процессы образования и распространения трещин без снижения микротвердости, улучшить термонапряженное состояние РИ с покрытием и повысить стойкость РИ. Также при резании с высокими скоростями резания интенсифицируются процессы окислительного и диффузионного износа, способствующие разупрочнению материала покрытия и инструментальной основы.

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 двухслойное покрытие. Особенность заявляемого способа заключается в том, что в качестве нижнего слоя при давлении азота в камере установки 8·10^-4 Па наносят нитрид титана и алюминия или нитрид титана и железа, или нитрид титана и кремния, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 4·10^-3 Па наносят такой же нитрид, легированный цирконием. Осаждение нижнего слоя покрытия при пониженном давлении газа позволяет получить более высокую прочность сцепления покрытия с инструментальной основой. Компоновка установки для нанесения покрытия включает один катод из титанового сплава ВТ1-0, один катод из титанового сплава, содержащий вставку из циркония или железа (или алюминиевый катод со вставкой из титана), и один катод, содержащий вставку из сплава титана и кремния. При осаждении верхнего слоя используются все три катода с целью получения слоя TiAlZrN, TiFeZrN или TiSiZrN, а при осаждении нижнего слоя катод, содержащий кремний, отключают. Использование в качестве материалов слоев сложных нитридов (TiAlZrN, TiFeZrN или TiSiZrN) обеспечивает высокую стойкость к окислительному и диффузионному износу, а также высокую износостойкость, а применение в качестве материалов обоих слоев многокомпонентных материалов способствует повышению трещиностойкости покрытия. При этом в зависимости от области использования инструмента с покрытием его общая толщина может колебаться в пределах от 3 до 9 мкм, а доля нижнего слоя составлять 25-50% от общей толщины покрытия.

Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе резания РИ работает в условиях окислительного и диффузионного износа, а также воздействия адгезионно-усталостных процессов и трещин. Для снижения интенсивности процессов износа и разрушения покрытия и самого инструмента наиболее эффективны покрытия сложного состава, а в условиях трещинообразования еще большую эффективность показывают многослойные покрытия со слоями сложного состава. При этом увеличение количества легирующих элементов в составе покрытия приводит к росту его твердости и износостойкости, а также трещиностойкости. Однако при этом часто снижается прочность сцепления покрытия с инструментальной основой. В то же время повысить прочность сцепления покрытия с основой можно путем снижения давления реакционного газа при его конденсации, правда при этом снижаются другие его эксплуатационные свойства (износостойкость и др.). Поэтому целесообразно применение двухслойного покрытия, в котором верхний слой должен обладать наивысшими износо- и трещиностойкостью, а нижний в первую очередь должен обеспечивать высокую прочность сцепления с инструментальной основой. В зависимости от условий резания толщина покрытия меняется от 3 до 9 мкм (меньшие значения - при прерывистом резании). При этом при уменьшении толщины покрытия доля нижнего слоя возрастает до 50%, чтобы обеспечить возможность получения сплошного слоя, способного полноценно выполнять свои функции (слои толщиной менее 1 мкм нефункциональны). Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанных в формуле изобретения толщин слоев, 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 двухслойное покрытие по предлагаемому способу. Покрытия наносили на твердосплавные пластины в вакуумной камере установки "Булат - 6", снабженной тремя вакуумно-дуговыми испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. В качестве катодов испаряемого металла при нанесении нижнего слоя (TiAlN, TiFeN или TiSiN) использовали один катод из титанового сплава ВТ1-0 и один катод из титанового сплава, содержащий вставку из железа (или алюминиевый катод со вставкой из титана, или титановый катод со вставкой из титана и кремния). При нанесении верхнего слоя (TiAlZrN, TiFeZrN или TiSiZrN) используют указанные два катода плюс катод, содержащий вставку из сплава титана и циркония и расположенный между первыми катодами. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки.

Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа (покрытие TiAlN-TiAlZrN 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. 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 снижают отрицательное напряжение до 140 В, ток катушек до 0,3 А, включают два противоположных испарителя (катода) - титановый и составной (титановая вставка в алюминиевом корпусе), подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм (слой TiAlN) в течение 12 мин при давлении газа 8·10^-4 Па. Затем при напряжении до 140 В, токе фокусирующих катушек до 0,3 А включают третий катод (содержащий цирконий). В камеру подают реакционный газ (давление 4·10^-3 Па) - азот и осаждают второй слой покрытия (TiAlZrN) толщиной 4,0 мкм в течение 24 мин. 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 токарно-винторезном станке 16К20 при обработке 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.

Таблица 1
Результаты испытаний РИ с покрытием№ ппМатериал покрытияТолщина слоев покрытия (нижний-верхний), мкмH_μ, ГПаК₀Стойкость, минПримечание1234567Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=157 м/мин, S=0,25 мм/об, t=1 мм1TiN621,20,7038Аналог2TIN-TiZrN2-432,00,5584Прототип3TiAlN-TiAlZrN2-436,20,30115В соответствии с формулой4TiSiN-TiSiZrN2-436,10,321145TiFeN-TiFeZrN2-434,50,391046TiAlN-TiAlZrN4-236,00,33109Получены с отклонениями7TiSiN-TiSiZrN4-235,80,331088TiFeN-TiFeZrN4-234,10,411009TiAlN-TiAlZrN2-436,50,35108При одинаковом давлении10TiSiN-TiSiZrN2-436,30,3710811TiFeN-TiFeZrN2-435,00,42991. Н_μ - микротвердость, ГПа (по Виккерсу).
2. К₀ - коэффициент отслоения, уменьшение величины которого свидетельствует о росте прочности сцепления с инструментальной основой.

Как видно из приведенных в табл.1 данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше стойкости пластин, обработанных по способу-прототипу в 1,2-1,35 раза. При этом пп.6-8 иллюстрируют, что при нарушении требований по назначению толщин слоев стойкость пластин снижается. В пп.9-11 показано, что в случае применения покрытий со слоями, осажденными при одинаковом давлении газа, стойкость также снижается.

Изобретение относится к нанесению износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Способ включает вакуумно-плазменное нанесение двухслойного покрытия. Нижний слой наносят при давлении азота в камере установки 8·10^-4 Па. В качестве нижнего слоя наносят нитрид титана и алюминия или нитрид титана и железа, или нитрид титана и кремния. В качестве верхнего слоя напыляют такой же нитрид, легированный цирконием. Верхний слой наносят при давлении азота в камере установки 4·10^-3 Па. В частных случаях выполнения изобретения нижний слой наносят толщиной 25-50% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет 3-9 мкм. Техническим результатом изобретения является повышение работоспособности и качества обработки режущего инструмента в связи с повышением его износостойкости и трещиностойкости. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение двухслойного покрытия, отличающийся тем, что в качестве нижнего слоя при давлении азота в камере установки 8·10^-4 Па наносят нитрид титана и алюминия, или нитрид титана и железа, или нитрид титана и кремния, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 4·10^-3 Па наносят такой же нитрид, легированный цирконием.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в двухслойном покрытии наносят нижний слой толщиной 25-50% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет 3-9 мкм.