СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2012 года по МПК C23C14/06 C23C14/24 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-плазменным методом наносят износостойкое покрытие (ИП) 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. 123 с.).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе наносимое покрытие не обеспечивает такой же высокой эффективности при работе режущего инструмента с этим покрытием в условиях прерывистого резания, в частности при фрезеровании, как при непрерывном резании.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ нанесения многослойного покрытия, раскрытый в описании к патенту на изобретение RU 2269604 С1, принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного режущего инструмента с покрытием, принятого за прототип, относится то, что в известном способе многослойное покрытие обладает недостаточной твердостью, а следовательно, 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. Одним из путей повышения стойкости и, как следствие, работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа со слоями с различными физико-механическими свойствами. Наличие в покрытии верхнего слоя, обладающего высокой твердостью, способствует снижению интенсивности износа РИ с многослойным покрытием. Для повышения прочности сцепления покрытия с инструментальной основой оно должно иметь в своем составе нижний слой с повышенными адгезионными свойствами. Кроме того, увеличение твердости нижнего слоя покрытия также способствует дополнительному снижению интенсивности износа РИ с многослойным покрытием. Повышение прочности сцепления слоев обеспечивается за счет нанесения промежуточного слоя из элементов верхнего и нижнего слоев. Этот слой обладает высоким химическим сродством с другими слоями, высокой твердостью. Промежуточный слой также способствует повышению трещиностойкости за счет появления дополнительных границ между слоями.

Технический результат - повышение работоспособности РИ.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что наносят нижний слой из нитрида или карбонитрида соединения титана, ниобия и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 86,5-92,0, ниобий 4,0-8,0, молибден 4,0-5,5; промежуточный - из нитрида или карбонитрида соединения титана, ниобия и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 88,0-82,5, ниобий 8,0-12,0, молибден 4,0-5,5; верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 90,0-94,0, ниобий 6,0-10,0, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и ниобия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и третьего катодов, промежуточный слой - с использованием второго и третьего катодов, верхний слой - с использованием первого и второго катодов.

Такая структура покрытия позволяет получить высокую прочность сцепления с основой из-за наличия в покрытии нижнего слоя, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой. При этом слои обладают высокой твердостью из-за дополнительного легирования материала слоев покрытий и наличию в их структуре микрослоистости, получаемой при нанесении покрытий по предлагаемой схеме расположения катодов.

Сущность изобретения заключается в следующем. В покрытии при резании происходят процессы трещинообразования, приводящие к его разрушению. Кроме того, 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 для торможения трещин. Нижний слой покрытия должен обладать высокой адгезией с инструментальным материалом. Слои покрытия должны обладать высокой твердостью для повышения износо- и трещиностойкости. При этом слои многослойного покрытия должны иметь высокую прочность связи между собой, что обеспечивается их высоким сродством друг с другом из-за наличия общих элементов.

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 двухслойное покрытие по предлагаемому способу.

Нанесение предлагаемого покрытия осуществляется следующим образом. 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 катодами, расположенными горизонтально в одной плоскости. Используются расположенные противоположно друг другу первый и второй составные катоды из титана и ниобия, и третий составной катод из титана и молибдена, расположенный между ними. Камеру откачивают до давления 6,65·10^-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают один катод и при токе дуги 100 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°C. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и подаче реакционного газа - азота (или смеси азота и ацетилена) включают первый (из титана и ниобия) и третий (из титана и молибдена) катоды и осаждают нижний слой покрытия TiNbMoN (или TiNbMoCN) толщиной 2,0 мкм. Промежуточный слой покрытия TiNbMoN (или TiNbMoCN) толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и включенных втором (из титана и ниобия) и третьем (из титана и молибдена) катодах и подаче реакционного газа - азота (или смеси азота и ацетилена). Верхний слой покрытия TiNbN (или TiNbCN) толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А, включенных первом (из титана и ниобия) и втором (из титана и ниобия) катодах и подаче реакционного газа - азота (или смеси азота и ацетилена). Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Микротвердость покрытий определяли на микротвердомере «ПМТ-3» под нагрузкой 100 г.

Стойкостные испытания режущего инструмента проводили при симметричном торцовом фрезеровании заготовок из стали 5ХНМ на станке 6Р12. Испытывали твердосплавные пластины марки МК8, обработанные по известному и предлагаемому способам. Режимы резания были следующими: скорость резания V=247 м/мин, подача S=0,4 мм/зуб, глубина резания t=1,5 мм, ширина фрезерования В=20 мм. За критерий износа была принята величина фаски износа по задней поверхности h₃=0,4 мм.

В табл.1 приведены результаты испытаний РИ с полученными покрытиями.

Таблица 1 Результаты испытаний РИ с покрытием   Химический состав слоев покрытия (соотношение металлических компонентов), % мас. Микротвердость, ГПа Стойкость, мин Примечание Материал покрытия 1 слой 2 слой 3 слой   Ti Mo Nb Ti Mo Nb Ti Nb TiN - 29,2 45 Аналог TiCrMo-TiCrMoN-TiCrN 90,25 4,75 5^∗ 85,25 4,75 10^∗ 92,5 7,5^∗ 37,9 229 Прототип TiNbMoN-TiNbMoN-TiNbN 91,25 4,75 4 87,25 4,75 8 94,0 6,0 38,6 273   90,0 4 6 86 4 10 92,0 8,0 39,2 285   89,25 4,75 6 85,25 4,75 10 92,0 8,0 39,5 290   88,5 5,5 6 84,5 5,5 10 92,0 8,0 39,1 286   87,25 4,75 8 83,25 4,75 12 90,0 10,0 38,5 275   TiNbMoCN-TiNbMoCN-TiNbCN 91,25 4,75 4 87,25 4,75 8 94,0 6,0 45,2 305   90,0 4 6 86 4 10 92,0 8,0 45,6 320   89,25 4,75 6 85,25 4,75 10 92,0 8,0 46,1 328   88,5 5,5 6 84,5 5,5 10 92,0 8,0 45,5 322   87,25 4,75 8 83,25 4,75 12 90,0 10,0 45,0 308   Прим.: ^∗ - содержание хрома в слоях покрытия

Как видно из приведенных в таблице 1 данных, стойкость пластин с покрытиями, нанесенными по предлагаемому способу, выше стойкости пластин с покрытием, нанесенным по способу-прототипу, в 1,19-1,43 раза.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия. Наносят нижний слой из нитрида или карбонитрида соединения титана, ниобия и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 86,5-92,0, ниобий 4,0-8,0, молибден 4,0-5,5. Затем наносят промежуточный слой из нитрида или карбонитрида соединения титана, ниобия и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 88,0-82,5, ниобий 8,0-12,0, молибден 4,0-5,5 и верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 90,0-94,0, ниобий 6,0-10,0. Нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами. Первый и второй катоды выполняют составными из титана и ниобия и располагают противоположно друг другу. Третий катод изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними. Нижний слой наносят с использованием первого и третьего катодов, промежуточный слой - с использованием второго и третьего катодов, верхний слой - с использованием первого и второго катодов. Повышается работоспособность режущего инструмента. 1 табл.

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, отличающийся тем, что наносят нижний слой из нитрида или карбонитрида соединения титана, ниобия и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 86,5-92,0, ниобий 4,0-8,0, молибден 4,0-5,5, промежуточный - из нитрида или карбонитрида соединения титана, ниобия и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 88,0-82,5, ниобий 8,0-12,0, молибден 4,0-5,5, верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 90,0-94,0, ниобий 6,0-10,0, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и ниобия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и третьего катодов, промежуточный слой - с использованием второго и третьего катодов, верхний слой - с использованием первого и второго катодов.