СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2011 года по МПК C23C14/24 B23B27/14 

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 и алюминия TiAlN и верхнего слоя нитрида титана, алюминия и циркония TiAlZrN (см. Патент на изобретение RU 2293794 C1, C23C 14/24, C23C 14/06. - 20.02.2007. - Бюл. № 5.), 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 низкие остаточные напряжения и высокую теплопроводность. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам трещинообразования и практически не препятствует проникновению тепла вглубь инструмента. Также нитридные покрытия имеют относительно невысокую стойкость при работе с высокими скоростями резания. Кроме этого существующие многослойные покрытия недостаточно эффективно тормозят процессы трещинообразования при прерывистом точении и при точении с переменным припуском.

Повышение в последнее время стоимости металлорежущего инструмента и ужесточение требований к точности обрабатываемых деталей сделало еще более актуальной проблему повышения стойкости и производительности 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. Ползучесть, в свою очередь, вызвана проникновением тепла, образующегося при резании и трении стружки о поверхности инструмента, вглубь инструмента. 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.

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 верхнего слоя при давлении смеси газов (70% азота и 30% ацетилена) в камере установки 6,65·10^-3 Па наносят карбонитрид титана и кремния, или карбонитрид титана и хрома, или карбонитрид титана и ниобия, или карбонитрид титана и алюминия, или карбонитрид титана и железа, или карбонитрид титана и циркония, а в качестве нижнего слоя при давлении азота в камере установки 7,5·10^-4 Па наносят нитрид титана и кремния, или нитрид титана и хрома, или нитрид титана и ниобия, или нитрид титана и алюминия, или нитрид титана и железа, или нитрид титана и циркония, легированный молибденом. Применение нитридов в качестве нижнего слоя позволяет повысить прочность сцепления покрытия с основой, высокие остаточные сжимающие напряжения в верхнем слое тормозят трещинообразование, а чередование слоев переменной твердости препятствует росту трещин. Компоновка установки для нанесения покрытия включает один составной катод с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 и вставкой из молибдена и два составных катода с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 и вставкой из хрома или ниобия или железа или циркония или составной катод с алюминиевым корпусом и вставкой из ВТ1-0 или катод из сплава титана и кремния. При осаждении верхнего слоя используются все три катода с целью получения слоя TiCrMoCN, или TiNbMoCN, или TiFeMoCN, или TiZrMoCN, или TiAlMoCN, или TiSiMoCN, а при осаждении нижнего слоя катод, содержащий молибден, отключают. Использование в качестве материалов слоев сложных карбонитридов (TiCrMoCN, или TiNbMoCN, или TiFeMoCN, или TiZrMoCN или TiAlMoCN или TiSiMoCN) с высокими остаточными сжимающими напряжениями способствует повышению трещиностойкости покрытия и прочности сцепления с инструментальной основой, кроме того, такие материалы имеют более низкую теплопроводность по сравнению покрытиями типа TiN, TiCN, TiAlN. При этом в зависимости от области использования инструмента с покрытием, его общая толщина может колебаться в пределах от 5 до 8 мкм, а доля нижнего слоя составлять 40-50% от общей толщины покрытия.

Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе резания РИ работает в условиях трещинообразования, а также воздействия высоких температур. 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. Поэтому целесообразно применение двухслойного покрытия, в котором верхний слой должен обладать высокой износостойкостью, а нижний в первую очередь должен обеспечивать высокую прочность сцепления с инструментальной основой. Применение карбонитридов позволяет повысить работоспособность РИ с покрытием при работе с высокими скоростями резания. В зависимости от условий резания толщина покрытия меняется от 5 до 8 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 (TiCrN, или TiNbN, или TiFeN, или TiZrN, или TiAlN, или TiSiN) использовали два составных катода с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 со вставкой из хрома или ниобия или железа или циркония или составной катод с алюминиевым корпусом и вставкой из ВТ1-0 или катод из сплава титана и кремния. При нанесении верхнего слоя (TiCrMoCN, или TiNbMoCN, или TiFeMoCN, или TiZrMoCN, или TiAlMoCN или TiSiMoCN) используют указанные два катода плюс катод, содержащий корпус из титанового сплава ВТ1-0 со вставкой из молибдена и расположенный между первыми катодами. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки.

Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа (покрытие TiCrN-TiCrMoCN 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 A производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°C. Ток фокусирующей катушки 0,4 A. Затем снижают отрицательное напряжение до 160 В, ток катушек до 0,4 A, включают два противоположных испарителя (катода) - составных (с хромовой вставкой), подают в камеру азот и осаждают покрытие толщиной 3,0 мкм (слой TiCrN) в течение 18 мин. Затем при напряжении до 150 В, токе фокусирующих катушек до 0,35 А включают третий катод (содержащий молибден). В камеру подается смесь реакционных газов (70% азота и 30% ацетилена) и осаждают второй слой покрытия (TiCrMoCN) толщиной 3,0 мкм в течение 18 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 № пп Материал покрытия Толщина слоев покрытия (нижний-верхний), мкм H_µ, ГПа K₀ Стойкость, мин Примечание 1 2 3 4 5 6 7 Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=250 м/мин, S=0,25 мм/об, t=1 мм 1 TiN 6 21,2 0,70 38 Аналог 2 TiAlN-TiAlZrCN 2-4 36,1 0,33 95 Прототип 3 TiCrN-TiCrMoCN 3-3 37,1 0,31 131 В соответствии с формулой 4 TiZrN-TiZrMoCN 3-3 37,9 0,32 138 5 TiNbN-TiNbMoCN 3-3 36,9 0,32 132 6 TiAlN-TiAlMoCN 3-3 37,2 0,30 136 7 TiSiN-TiSiMoCN 3-3 37,3 0,31 137 8 TiFeN-TiFeMoCN 3-3 36,5 0,29 125 Продолжение табл. 1 2 3 4 5 6 7 9 TiCrN-TiCrMoCN 4-2 35,6 0,35 110 Получены с отклонениями толщины 10 TiZrN-TiZrMoCN 4-2 36,0 0,37 112 11 TiNbN-TiNbMoCN 4-2 34,3 0,40 102 12 TiAlN-TiAlMoCN 4-2 35,6 0,35 115 13 TiSiN-TiSiMoCN 4-2 36,0 0,37 114 14 TiFeN-TiFeMoCN 4-2 34,3 0,40 113 15 TiCrN-TiCrMoCN 3-3 36,2 0,38 118 При одинаковом давлении 16 TiZrN-TiZrMoCN 3-3 35,8 0,36 120 17 TiNbN-TiNbMoCN 3-3 36,2 0,37 118 18 TiAlN-TiAlMoCN 3-3 36,2 0,38 118 19 TiSiN-TiSiMoCN 3-3 35,8 0,36 120 20 TiFeN-TiFeMoCN 3-3 36,2 0,37 118   21 TiCrN-TiCrMoCN 3-3 36,0 0,41 110 При одинаковой температуре 22 TiZrN-TiZrMoCN 3-3 36,0 0,42 113 23 TiNbN-TiNbMoCN 3-3 35,9 0,45 120 24 TiAlN-TiAlMoCN 3-3 36,0 0,41 110 25 TiSiN-TiSiMoCN 3-3 36,0 0,42 113 26 TiFeN-TiFeMoCN 3-3 35,9 0,45 120 1. H_µ - микротвердость, ГПа (по Виккерсу). 2. K₀ - 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, на 32-45%. При этом пп.9-14 иллюстрируют, что при нарушении требований по назначению толщин слоев стойкость пластин снижается. В пп.15-20 показано, что в случае применения покрытий со слоями, осажденными при одинаковом давлении газа, стойкость также снижается. В пп.21-26 показано, что в случае применения покрытий со слоями, осажденными при одинаковой температуре конденсации, стойкость также снижается.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент (РИ) и может быть использовано в металлообработке. Технический результат - повышение работоспособности РИ и качества обработки. На рабочие поверхности режущего инструмента вакуумно-плазменным методом наносят двухслойное покрытие. В качестве верхнего слоя наносят карбонитрид титана и кремния, или карбонитрид титана и хрома, или карбонитрид титана и ниобия, или карбонитрид титана и алюминия, или карбонитрид титана и железа, или карбонитрид титана и циркония. В качестве нижнего слоя наносят нитрид титана и кремния или нитрид титана и хрома или нитрид титана и ниобия или нитрид титана и алюминия или нитрид титана и железа или нитрид титана и циркония, легированный молибденом. 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 верхнего слоя наносят карбонитрид титана и кремния, или карбонитрид титана и хрома, или карбонитрид титана и ниобия, или карбонитрид титана и алюминия, или карбонитрид титана и железа, или карбонитрид титана и циркония, а в качестве нижнего слоя наносят нитрид титана и кремния, или нитрид титана и хрома, или нитрид титана и ниобия, или нитрид титана и алюминия, или нитрид титана и железа, или нитрид титана и циркония, легированный молибденом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в двухслойном покрытии наносят нижний слой толщиной 40-50% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет 5-8 мкм.