МНОГОСЛОЙНОЕ КОМПОЗИЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ С НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ НА РЕЖУЩЕМ ИНСТРУМЕНТЕ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК C23C14/06 C23C14/24 C23C14/48 

Изобретение относится к способам направленной модификации поверхностных свойств различных инструментов и, в частности, к износостойким покрытиям преимущественно для режущего инструмента, которые синтезируют ионно-плазменными методами. Такие покрытия могут быть использованы в машиностроении и, в частности, в механообрабатывающих производствах.

Известны многослойные износостойкие покрытия, наносимые на детали машин и/или режущий инструмент из твердого сплава (заявка Франции № 2576668, 1987).

Покрытие наносится при высоких температурах и содержит слои из циркония, хрома, титана, тантала, никеля с последующим нанесением нитридных слоев из элементов подслоя. Недостатком указанного износостойкого покрытия является высокая температура его синтеза, что не позволяет получать покрытие на субстратах из полутеплостойких и теплостойких инструментальных сталей, имеющих температуру отпуска значительно ниже температур синтеза покрытия, кроме того, из-за относительно высокой адгезионной активности и невысокой прочности покрытия велика вероятность его интенсивного разрушения, особенно под воздействием высоких термомеханических нагрузок в процессе эксплуатации инструмента.

Наиболее близким техническим решением является многослойно-композиционное покрытие для режущего и штампового инструмента (Многослойно-композиционное износостойкое покрытие. Верещака А.А., Верещака А.С., Пчелинцев А.К. Патент РФ № 2198243 от 10.02.2003), согласно которому покрытие состоит из адгезионного, переходного и чередующихся износостойких слоев.

Адгезионный слой содержит, по крайней мере, один элемент из состава инструментального материала и/или его соединение и один элемент из состава переходного слоя покрытия и/или его соединение. Переходный слой содержит тугоплавкие соединения металлов IV, и/или V, и/или VI групп. Первый из чередующихся слоев содержит тугоплавкое соединение металлов IV, и/или V, и/или VI групп, легированных алюминием, а второй - тугоплавкие соединения металлов упомянутых групп.

Способ нанесения покрытия осуществлялся следующим образом. Изделие в виде режущего инструмента с тщательно подготовленной поверхностью, очищенной от загрязнений, размещали в камере вакуумно-дуговой установки, в которой осуществляли процесс синтеза многослойно-композиционного покрытия методом конденсации вещества из плазменной фазы с предварительной ионной бомбардировкой (метод КИБ). Установка снабжена тремя испарителями, которые могут функционировать одновременно, специальным газосмесителем, позволяющим вводить в камеру до 3-х газов одновременно с жесткой регламентацией их количества, что давало возможность синтезировать различные соединения тугоплавких металлов (карбиды, нитриды, карбонитриды, оксиды и др.). Скорость вращения инструмента в камере в процессе очистки изделий и синтеза покрытий на их рабочих поверхностях составляет 2,5-50 об/мин.

В камере ионно-вакуумной установки устанавливали катоды из наносимых материалов, например титана, хрома и алюминия. Далее производили формирование адгезионного слоя, переходного и чередующихся износостойких слоев покрытия при напряжении смещения в процессах очистки и термоактивации в пределах 0,8-1,0 кВ, а в процессах синтеза - 0,15-0,2 кВ. Очистку и термоактивацию поверхности производили при давлении 10^-3 Па, а осаждение адгезионного слоя и слоев покрытия при давлении реакционного газа (азота) - в пределах 10^-1-10^-2 Па при токе дуги 80-120 А. Процесс осуществляли при температуре 700°С. Перед формированием адгезионного слоя дополнительно формировался упрочняющий подслой.

Недостатком известного технического решения является неблагоприятное соотношение твердости и вязкости материала покрытия, что связано с недостаточной развитостью межзеренных границ и повышенной склонностью покрытия к интенсивному микро- и макроразрушению, а также относительно невысокой износостойкости при действии повышенных эксплуатационных термомеханических напряжений, особенно циклического характера. Это связано с относительно большими размерами зерен материала покрытия, составляющими 200-300 нм, а также наличием недостаточной прочности адгезии между материалами нижнего адгезионного слоя покрытия и материалом изделия, особенно, если значение изобарного потенциала реакции между ними имеет положительное значение при температурах синтеза и эксплуатации покрытия. Кроме того, высока вероятность возникновения критических растягивающих напряжений на границах раздела "покрытие-изделие" вследствие большой разницы в их физико-механических свойствах, что может привести к полному разрушению (отслаиванию) покрытия по границам раздела. Интенсивное разрушение покрытия может происходить и в результате потери формоустойчивости режущей части инструмента, возникающей вследствие более интенсивного снижения длины контакта по сравнению с уменьшением нормальных нагрузок, в результате чего происходит увеличение контактных напряжений и смещение эпюр максимальных температур к режущим кромкам, что приводит к микроползучести материала инструмента непосредственно под покрытием и, как следствие, разрушению хрупкого покрытия. Кроме того, из-за возникновения "краевых эффектов", связанных с формированием критических напряжений разрушения на радиусных участках режущих кромок инструмента при слишком большой разнице в коэффициентах теплопроводности материалов покрытия и изделия, неоптимальном соотношении толщины покрытия и величины радиуса округления режущих кромок, велика вероятность полного отслоения покрытия на этих участках.

Указанные недостатки могут быть устранены при нанесении на режущий инструмент многослойно-композиционных наноструктурированных покрытий, имеющих увеличенные площади межзеренных и межслойных границ, что обеспечивает интенсивную диссипацию энергии на этих границах, сбалансированное соотношение между вязкостью и твердостью материала покрытия, высокую устойчивость к зарождению, развитию, отклонению от направления движения, частичному или полному торможения «хрупких» трещин, эффективное упрочнение материала покрытия и позволяет существенно увеличить долговечность покрытия на рабочих поверхностях режущего инструмента, повысить его стойкость. Кроме того, при нанесении на изделие наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий, имеющих адгезионный и диффузионный подслои, обеспечивают более благоприятное сочетание кристаллохимических, физико-механических и теплофизических свойств материалов покрытия и инструмента, а диффузионный подслой блокирует микроползучесть материала инструмента при высоких термомеханических напряжениях. Режущий инструмент с подобной конструкцией многослойно-композиционного покрытия будет более длительное время сопротивляться макро- и микроразрушению (изнашиванию) вследствие более продолжительного времени функционирования покрытия, снижающего термомеханические напряжения на контактные площадки инструмента, вследствие чего создаются более благоприятные условия работы покрытия из-за лучшей сопротивляемости микпроползучести и пластическому деформированию.

Техническим результатом, на который направлено изобретение, является улучшение показателей работоспособности режущего инструмента (время наработки на отказ при заданной его вероятности), повышение производительности процесса обработки и повышение физико-механических характеристик обработанных поверхностей деталей.

Для этого предложено многослойное композиционное покрытие с нанокристаллической структурой на режущем инструменте, содержащее адгезионный, переходный и износостойкий слои тугоплавких соединений, при этом адгезионный слой содержит, по крайней мере, один элемент из состава переходного слоя и/или его соединение, переходный слой содержит тугоплавкое соединение металлов IV и/или V групп Периодической системы элементов, по крайней мере, один из которых из состава износостойкого слоя, а износостойкий слой содержит тугоплавкие соединения металлов из IV, и/или V, и/или VI групп, легированные алюминием, и имеет нанокристаллическую структуру.

Кроме того, для инструмента из быстрорежущей стали, применяемого для операций непрерывного резания, покрытие имеет общую толщину на рабочих поверхностях 0,7-1,5 от величины радиуса округления режущих кромок, для инструмента из твердого сплава, применяемого для операций непрерывного резания, - 0,3-0,6 от величины радиуса округления режущих кромок, а для инструмента, применяемого при прерывистом резании, - на 20-40% меньше от упомянутых значений.

Для инструмента, применяемого для операций непрерывного резания, между адгезионным слоем и материалом инструмента покрытие дополнительно содержит диффузионный слой, толщина которого составляет 0,2-0,4 толщины адгезионного слоя, а для инструмента, применяемого для операций прерывистого резания, толщина диффузионного слоя составляет 0,07-0,1 толщины адгезионного слоя.

Также предложен способ получения многослойного композиционного покрытия с нанокристаллической структурой на режущем инструменте, включающий последовательное формирование методом вакуумно-дугового синтеза адгезионного, переходного и износостойкого слоев тугоплавких соединений, при этом формируют адгезионный слой, содержащий по крайней мере один элемент из состава переходного слоя и/или его соединение, формируют переходный слой, содержащий тугоплавкое соединение металлов IV и/или V групп Периодической системы элементов, по крайней мере один из которых из состава износостойкого слоя, и формируют износостойкий слой с нанокристаллической структурой, содержащий тугоплавкие соединения металлов из IV, и/или V, и/или VI групп, легированные алюминием, при постоянном облучении или импульсном облучении с частотой 5-500 Гц ионами тугоплавких металлов V и/или VI групп и с энергией 10-200 кэВ и при фильтрации паро-ионного потока от микрокапельной составляющей с помощью криволинейной плазмооптической системы.

Кроме того, для инструмента, применяемого для операций непрерывного резания, между адгезионным слоем и материалом инструмента формируют диффузионный слой, толщина которого составляет 0,2-0,4 толщины адгезионного слоя, а для инструмента, применяемого для операций прерывистого резания, формируют диффузионный слой с толщиной 0,07-0,1 толщины адгезионного слоя.

На чертеже представлено покрытие с последовательным расположением его слоев согласно настоящему изобретению.

Многослойно-композиционное покрытие состоит из износостойкого (1) и переходного (2) слоев, адгезионного (3) и диффузионного (4) слоев, наносимых на инструментальный материал (5).

Адгезионный слой (3), имеющий кристаллохимическое подобие структур с материалами инструмента (5) и прилегающего переходного слоя покрытия (2), обеспечивает прочную адгезионную связь между ними, при этом благодаря сложнокомпозиционному составу обладает высокой термодинамической устойчивостью и имеет небольшую разницу в физико-механических и теплофизических свойствах относительно соответствующих свойств диффузионного слоя (4), материалов инструмента (5) и переходного слоя покрытия (2). При формировании адгезионного слоя (3), имеющего максимальную кристаллохимическую совместимость с материалом изделия, резко снижается вероятность формирования критических напряжений растяжения на границах раздела "покрытие - материал изделия", что увеличивает сопротивляемость покрытия разрушению вследствие отслаивания. Кроме того, благодаря наноразмерной структуре износостойкого слоя (1) с высокой развитостью межзеренных и межслойных границ, совместимости кристаллохимических свойств адгезионного (3), диффузионного (4), переходного (2) и износостойкого слоев, а также фильтрации осаждаемого конденсата от микрокапельной составляющей, значительно снижается количество дефектов покрытия в виде микрокапель, источников генерации дислокации и других дефектов, за счет барьерных функций в виде развитых границ зерен на пути движения дислокации и микротрещин.

Для повышения твердости и термодинамической устойчивости при сбалансированном сочетании прочности и твердости, а также снижения физико-химической активности по отношению к внешней среде (6) (обрабатываемый материал), в состав износостойкого слоя (1), непосредственно примыкающего к переходному слою (2), вводят тугоплавкие соединения металлов IV, и/или V, и/или VI групп и легируют алюминием. Введение гетерофазных тугоплавких соединений элементов V и особенно VI групп в состав износостойкого слоя (1) или легирование алюминием приводит к образованию гетерофазных соединений переходных металлов IV-VI групп с алюминием, увеличению статистического веса атомов со стабильными электронными конфигурациями (СВАСК) типа sp³ и s²p⁶, d⁵, придающих кристаллической решетке повышенную твердость и жесткость, а также чрезвычайно высокую сопротивляемость изнашиванию. При этом благодаря нанокристаллической структуре слоя сохраняется оптимальный баланс между твердостью, износостойкостью и пластичностью слоя, что существенно снижает вероятность его микрохрупкого разрушения. Введение более пластичного переходного слоя (2), обладающего высокой термодинамической устойчивостью при воздействии эксплуатационных термомеханических напряжений, особенно циклического характера, еще больше снижает вероятность хрупкого разрушения твердого износостойкого слоя (1). Кроме того, легирование соединений металлов IV и V групп металлами VI группы приводит к созданию гетерофазных структур с резким отличием кристаллохимического строения относительно внешней среды (6) и еще больше уменьшает физико-химическую активность слоя (1) по отношению к внешней среде (6).

Наконец, формирование диффузионного слоя (4) между покрытием и инструментальным материалом путем дополнительного облучения ионами приповерхностных структур инструментального материала (5), повышает его жесткость, сопротивляемость микпроползучести и термопластическому деформированию, что способствует повышению долговечности покрытия и росту эффективности работы инструмента.

Композиционное многослойное покрытие, состоящее из сложнокомпозиционных диффузионного и адгезионного подслоев (4) и (3), переходного (2) и наноструктурированного износостойкого (1) слоев, содержащих многокомпонентные системы соединений, в совокупности обладают повышенной износостойкостью и прочностью, низкой физико-химической активностью по отношению к контактирующему обрабатываемому материалу (6) в сочетании с высокими показателями по термостабильности, коррозионной стойкости, адгезионной прочностью по отношению к инструментальному материалу (5) и когезионной прочностью между слоями покрытия (1), (2), (3), (4). Эти свойства реализуются только при совместной работе слоев в различных условиях функционирования инструмента с предлагаемым многослойным композиционным наноструктурированным износостойким покрытием.

Максимальная эффективность режущего инструмента с предлагаемым покрытием обеспечивается только при оптимальных толщинах многослойного композиционного покрытия, зависящих от величины радиуса округления режущих кромок режущего инструмента, вида технологической операции резания и составляет 0,7-1,5 от величины радиуса округления режущих кромок для инструмента из быстрорежущей стали и 0,3-0,6 от величины радиуса округления режущих кромок для инструмента из твердых сплавов для операций непрерывного резания (точение, сверление и др.), для операций прерывистого резания (фрезерование, строгание и др.) общая толщина покрытия снижается на 20-40%.

Предлагаемое многослойное композиционное покрытие с наноструктурированным износостойким слоем (1) способствует повышению сопротивляемости режущего инструмента различным видам изнашивания: коррозионно-окислительному, адгезионно-усталостному и диффузионному, что является главной причиной повышения долговечности и надежности инструмента. В частности, режущий инструмент имеет увеличенное время наработки на отказ при высокой вероятности безотказной работы, особенно при тяжелой обработке с большими сечениями среза, резании материалов повышенной прочности и твердости или труднообрабатываемых материалов, для операций прерывистой обработки, а также при необходимости повторного затачивания инструмента по одной из рабочих поверхностей за период его эксплуатации. Кроме того, при использовании режущего инструмента с предлагаемым покрытием, обладающего весьма низкой физико-химической активностью по отношению к обрабатываемому материалу, заметно повышаются качественно-точностные показатели обработки вследствие снижения склонности инструмента к наростообразованию, уменьшения трения и сдвигающих напряжений непосредственно в зоне формирования поверхности обрабатываемой детали.

Предлагаемое техническое решение реализуется следующим образом.

Изготовленный режущий инструмент с тщательно подготовленными рабочими поверхностями, очищенный от загрязнений, размещают в камере вакуумно-дуговой установки, в которой осуществляют процесс синтеза многослойного композиционного наноструктурированного покрытия при использовании процессов фильтруемого вакуумно-дугового синтеза. Установка содержит три дуговых испарителя, оснащенных устройствами фильтрации генерируемого паро-ионного потока от капельной составляющей, а также устройство генерирования газометаллических ионов с энергиями от 5 до 200 кэВ, которые могут функционировать одновременно, а также специальным газосмесителем, позволяющим вводить в камеру до 3-х газов одновременно с жесткой регламентацией их количества, что дает возможность синтезировать различные соединения тугоплавких металлов (карбиды, нитриды, карбонитриды, оксиды и др.). Скорость вращения инструмента в камере в процессе очистки и термоактивации инструмента и синтеза покрытий на их рабочих поверхностях составляет 2,5-50 об/мин.

Способ получения многослойно-композиционных покрытий состоит в следующем.

Вариант 1. Многослойно-композиционное износостойкое покрытие наносят на твердосплавные пластины Т14К8 (14% TiC, 78% WC, 8% Co) формы 03111 (ГОСТ 19042-80, форма SNUN по стандарту ISO 513) после их размещения в камере вакуумно-дуговой установки. Три испарителя установки оснащают катодами из циркония, хрома и алюминия.

Производят формирование адгезионного, переходного и износостойкого слоев покрытия при напряжении смещения в процессах очистки и термоактивации 0,7-1,5 кВ, а в процессах синтеза - 0,16-0,25 кВ, причем процесс осаждения осуществляют при следующих параметрах функционирования фильтрующего устройства - токе дуги и напряжении на катушке 12-25 А, 15-28 В соответственно. Очистку и термоактивацию рабочих поверхностей инструмента производят при давлении 10^-3 Па, а формирование адгезионного, переходного и износостойкого слоев покрытия - при давлении азота (реакционный газ) в пределах 10^-1-10^-2 и токе дуги 70-140 А, причем формирование износостойкого слоя осуществляют при импульсном облучении ионами хрома при энергиях 40-60 кэВ, частоте импульса 50 Гц. Процесс производят при температуре 700°С.

Диффузионный слой формируют перед осаждением адгезионного слоя при работе испарителя, оснащенного катодом из циркония, при импульсном облучении ионами хрома с параметрами, показанными выше. Переходный слой формируют при испарении циркония, хрома и подаче азота, износостойкий слой - при работе трех испарителей (циркония, хрома и алюминия), подаче азота при импульсном облучении ионами хрома с параметрами, показанными выше. При этом толщина покрытия и адгезионного слоя зависит от вида технологической операции резания обрабатываемого материала, геометрических параметров и формы режущей части инструмента. Для рассматриваемого случая общая толщина покрытия составила 2-12 мкм при толщине адгезионного слоя около 0,8 мкм, при величине радиуса округления режущих кромок твердосплавной пластины в пределах 30 мкм.

Вариант 2. Покрытие осаждают на твердосплавные пластины ВК10-ХОМ (2% СrС, 88% WC:, 10% Со) той же формы, что и в варианте 1. Устанавливают три катода из циркония, ниобия и алюминия.

Формирование диффузионного слоя производят следующим образом. После предварительной откачки камеры до давления р=10^-2 Па в установку напускают нейтральный газ (например, аргон) до давления 2·10^-1 Па, после чего проводят термоактивацию твердосплавных пластин путем воздействия пучком электронов, генерируемых из плазмы несамостоятельного газового разряда до температур 600-650°С при плотности электронного тока 0,01 А/см².

Затем проводят предварительную ионную очистку пластин при напряжениях смещения 0,8-1,2 кВ, плотности тока 0,05-0,11 А/ см² и времени очистки 3-7 минут. При этом температура пластин увеличивалась до 700-720°С. Затем производят непосредственное формирования диффузионного слоя путем импульсного облучения ионами хрома при параметрах, показанных выше, в течение 10-12 мин.

Далее технологический процесс осуществляют аналогично варианту 1. Адгезионный слой формируют при работе двух испарителей, оснащенных катодами из циркония и ниобия, переходный слой - при испарении циркония и ниобия и подаче азота, износостойкий слой - при включении трех испарителей (оснащенных катодами из циркония, ниобия и алюминия) и импульсном облучении ионами хрома.

Для пластин с радиусом округления 20-30 мкм общая толщина покрытия составила 2-12 мкм при толщине адгезионного подслоя около 0,3-0,8 мкм и толщине диффузионного подслоя около 0,3-0,5 мкм.

Вариант 3. Покрытие наносят на концевые фрезы Ф=6 мм, z=4 из быстрорежущей стали Р6М5 (6% V, 5% Мо). Устанавливают три катода из титана, хрома и алюминия. Процесс формирования диффузионного слоя осуществляют следующим образом. После предварительной откачки камеры до давления р=5,0·10^-2 Па в вакуумную камеру установки напускают нейтральный газ (например, аргон) до давления 1·10^-1-3·10^-1 Па и проводят термоактивирование рабочих поверхностей фрезы путем воздействия пучком электронов, генерируемых из плазмы несамостоятельного газового разряда, до температур 420-480°С при следующих значениях параметров технологического процесса: плотность электронного тока 0,01 А/см², давление в камере установки 0,5-10 Па; напряжение смещения на инструменте от 0,4 кВ; время термоактивации 10-12 мин. Технологический процесс формирования покрытия осуществляют по варианту 1, однако температуру процессов очистки и синтеза покрытий снижают до 480°С. Диффузионный и адгезионный слои формируют при работе двух испарителей - титана и хрома, переходный слой - при испарении титана, хрома и подаче азота, износостойкий слой - при включении испарителей, оснащенных катодами из титана и алюминия, и подаче азота при импульсном облучении ионами хрома при энергиях 8-10 кэВ, частоте импульса 50 Гц. Для быстрорежущих концевых фрез, имеющих радиус округления в пределах 5-6 мкм, общая толщина покрытия составила 2,0-3,5 мкм при толщинах адгезионного и диффузионного слоев 0,5 мкм и 0,08-0,1 мкм соответственно.

Затем режущий инструмент подвергают испытаниям при определении основных показателей его эффективности - среднего значения стойкости и коэффициента вариации стойкости. Испытания проводят при точении стали 45 НВ 180 (v=200 м/мин; S=0,3 мм/мин; t=1,0 мм) резцами, оснащенными пластинами Т14К8 со стандартными и предлагаемыми покрытиями, точении хромоникелевого сплава ХН77ТЮР (v=30 м/мин; S=0,15 мм/об; t=1,0 мм) резцами, оснащенными пластинами ВК10-ХОМ с механическим креплением сменных многогранных пластин со стандартными и предлагаемыми покрытиями на станке 16К20, а также обработке пазов в заготовках из стали 40Х НВ200 концевыми фрезами из стали Р6М5, имеющими стандартные и предлагаемые покрытия на станке 6Г55 (v=60 м/мин; S_z=0,28 мм/зуб; t=1,5 мм), симметричном торцовом фрезеровании стали 40 НВ200 фрезами, оснащенными пластинами ВК10-ХОМ со стандартными и предлагаемыми покрытиями на фрезерном станке 6Г55 (v=170 м/мин; В=140 мм; t=2,0 мм; S_z=0,3 мм/зуб).

При испытаниях режущего инструмента со стандартными и предлагаемыми покрытиями производят построение графиков h₃=f(τ) («износ-время») по данным, получаемым при периодических измерениях фаски изнашивания задней поверхности инструмента на инструментальном микроскопе МБС-2. Критерием стойкости инструмента служит предельная величина фаски износа h₃=0,3-0,5 мм, при достижении которой оценивают время наработки инструмента на отказ (стойкость). Производят статистическую обработку полученных данных для оценки среднеарифметического значения стойкости и коэффициента ее вариации. По результатам оценки параметров работоспособности инструмента (среднее значение стойкости и коэффициент вариации стойкости), а также коэффициента стойкости как отношения стойкости инструмента с предлагаемым покрытием и стойкости инструмента со стандартным покрытием (в соответствии с положениями прототипа) делают выводы о преимуществах инструмента с предлагаемым покрытием.

Результаты сравнительных стойкостных испытаний инструмента со стандартным и предлагаемым покрытием представлены в таблице.

Таблица Марка инструментального материала Состав покрытия Среднее значение стойкости, мин Коэффициент вариации стойкости Коэффициент повышения стойкости, кол-во раз Т14К8 Zr-ZrN* 10 0,37 1,0 Т14К8 Zr-(Zr,Cr)N-CrN* 18 0,32 1,8 Т14К8 Zr-(Zr,Cr)N- 28 0,32 2,8   (Zr,Cr,Al)N*       ВК10-ХОМ Zr-ZrN* 6,0 0,42 1,0 ВК10-ХОМ Zr-(Zr,Cr)N-CrN* 11,0 0,4 1,83 ВК10-ХОМ Zr-(Zr,Cr)N- 16,0 0,4 2,67   (Zr,Cr,Al)N*       Р6М5 Zr-ZrN** 24 0,45 1,0 Р6М5 Zr-(Zr,Cr)N-CrN** 45 0,39 1,88 Р6М5 Zr-(Zr,Cr)N- 78 0,36 3,25   (Zr,Cr,Al)N**       * - точение; ** - фрезерование

Сравнительный анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что стойкость инструмента с предлагаемым многослойно-композиционным покрытием была в 1,5-2,5 раза выше стойкости инструмента с покрытием, предлагаемым в прототипе, а коэффициент вариации стойкости снизился в среднем на 20%. Последнее свидетельствует о достижении цели изобретения.

Изобретение относится к многослойным покрытиям для режущего инструмента и способам их получения и может быть использовано в машиностроительном производстве. Покрытие содержит адгезионный, переходный и износостойкий слои тугоплавких соединений. При этом адгезионный слой содержит, по крайней мере, один элемент из состава переходного слоя и/или его соединение. Переходный слой содержит тугоплавкое соединение металлов IV, и/или V групп Периодической системы элементов, по крайней мере, один из которых из состава износостойкого слоя. Износостойкий слой содержит тугоплавкие соединения металлов из IV, и/или V, и/или VI групп, легированные алюминием, и имеет нанокристаллическую структуру. Технический результат - улучшение показателей работоспособности инструмента, повышение производительности обработки и физико-механических характеристик обработанных поверхностей деталей. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Многослойное композиционное покрытие с нанокристаллической структурой на режущем инструменте, содержащее адгезионный, переходный и износостойкий слои тугоплавких соединений, отличающееся тем, что адгезионный слой содержит, по крайней мере, один элемент из состава переходного слоя и/или его соединение, переходный слой содержит тугоплавкое соединение металлов IV и/или V групп Периодической системы элементов, по крайней мере, один из которых из состава износостойкого слоя, а износостойкий слой содержит тугоплавкие соединения металлов из IV и/или V, и/или VI групп, легированные алюминием, и имеет нанокристаллическую структуру.

2. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что для инструмента из быстрорежущей стали, применяемого для операций непрерывного резания, оно имеет общую толщину на рабочих поверхностях 0,7-1,5 от величины радиуса округления режущих кромок, для инструмента из твердого сплава, применяемого для операций непрерывного резания, - 0,3-0,6 от величины радиуса округления режущих кромок, а для инструмента, применяемого при прерывистом резании, - на 20-40% меньше от упомянутых значений.

3. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что для инструмента, применяемого для операций непрерывного резания, между адгезионным слоем и материалом инструмента оно дополнительно содержит диффузионный слой, толщина которого составляет 0,2-0,4 толщины адгезионного слоя, а для инструмента, применяемого для операций прерывистого резания, толщина диффузионного слоя составляет 0,07-0,1 толщины адгезионного слоя.

4. Способ получения многослойного композиционного покрытия с нанокристаллической структурой на режущем инструменте, включающий последовательное формирование методом вакуумно-дугового синтеза адгезионного, переходного и износостойкого слоев тугоплавких соединений, отличающийся тем, что формируют адгезионный слой, содержащий, по крайней мере, один элемент из состава переходного слоя и/или его соединение, формируют переходный слой, содержащий тугоплавкое соединение металлов IV и/или V групп Периодической системы элементов, по крайней мере, один из которых из состава износостойкого слоя, и формируют износостойкий слой с нанокристаллической структурой, содержащий тугоплавкие соединения металлов из IV и/или V, и/или VI групп, легированные алюминием при постоянном облучении или импульсном облучении с частотой 5-500 Гц ионами тугоплавких металлов V и/или VI групп и с энергией 10-200 кэВ и при фильтрации пароионного потока от микрокапельной составляющей с помощью криволинейной плазмооптической системы.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для инструмента, применяемого для операций непрерывного резания, между адгезионным слоем и материалом инструмента формируют диффузионный слой, толщина которого составляет 0,2-0,4 толщины адгезионного слоя, а для инструмента, применяемого для операций прерывистого резания, формируют диффузионный слой с толщиной 0,07-0,1 толщины адгезионного слоя.