СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2016 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) (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 покрытия имеют относительно низкую твердость. В результате этого покрытие в большей мере подвергается 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 нанесения многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида титана TiN и верхнего слоя нитрида титана и алюминия TiAIN (см. Табаков В.П., Чихранов А.В. Износостойкие покрытия режущего инструмента, работающего в условиях непрерывного резания. - Ульяновск: УлГТУ, 2007. - 255 с.), 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. Наличие промежуточного слоя, обладающего высокими сжимающими напряжениями, повышает трещиностойкость покрытия. Кроме того, создание микрослоистости в верхнем слое покрытия приводит к увеличению его твердости и трещиностойкости и, как следствие, работоспособности РИ с покрытием.

Технический результат - повышение работоспособности РИ.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что наносят нижний слой из нитрида соединения титана и циркония при их соотношении, мас.%: титан 53,3, цирконий 46,7, промежуточный - из нитрида соединения титана, алюминия и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 65,0-74,0, алюминий 2,0-5,0, ниобий 24,0-30,0 и верхний - из нитрида соединения титана, циркония, алюминия и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 44,3-52,8, цирконий 29,9-32,4, алюминий 1,3-3,3, ниобий 16,0-20,0, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют из титана, второй - из циркония и располагают противоположно первому, а третий изготавливают из сплава титана, алюминия и ниобия и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и второго катодов, промежуточный - с использованием первого и третьего катодов, а верхний слой - с использованием всех трех катодов.

Согласно предпочтительному варианту нижний слой наносят при температуре конденсации 600°C, промежуточный - при температуре конденсации 450°C, а верхний - при температуре конденсации 300°C.

Такая структура покрытия позволяет получить высокую прочность сцепления с основой из-за наличия в покрытии нижнего слоя нитрида титана, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой. При этом дополнительное повышение адгезии достигается осаждением нижнего слоя при оптимальной температуре конденсации. Верхний слой обладает высокой твердостью из-за дополнительного легирования материала слоя, наличия в структуре микрослоистости, получаемой при нанесении покрытий по предлагаемой схеме расположения катодов, и более низкой температурой конденсации. Покрытие также обладает высокими остаточными напряжениями, обусловленными наличием промежуточного слоя из карбонитрида титана.

Сущность изобретения заключается в следующем. В покрытии при резании происходят процессы трещинообразования, приводящие к его разрушению. 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, а также многослойное 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. При нанесении покрытия используют первый катод, изготовленный из титана, второй - из циркония и расположенный противоположно первому, и третий, изготовленный из сплава титана, алюминия и ниобия и расположенный между ними.

Камеру откачивают до давления 6,65·10^-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение U=1,1 кВ, включают первый и второй катоды и при токе дуги I=100 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 580-620°C. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем при отрицательном напряжении U=250 В, токе дуги I=120 А, токе катушек 0,3 А, подаче реакционного газа - азота, температуре конденсации 600°C и включенных первом и втором катодах осаждают нижний слой покрытия TiZrN толщиной 2,0 мкм. Далее при отрицательном напряжении U=190 В, токе дуги I=100 А, токе катушек 0,3 А и подаче реакционного газа - азота, температуре конденсации 450°C и включенных первом и тртетьем катодах осаждают промежуточный слой покрытия TiAlNbN толщиной 2,0 мкм. Верхний слой покрытия TiZrAlNbN толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении U=160 В, токе дуги I=85 А, токе катушек 0,3 А, температуре конденсации 300°C, включенных трех катодах и подаче реакционного газа - азота. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием. Изменение температуры конденсации при осаждении нижнего, промежуточного и верхнего слоев покрытия по другим вариантам технологического процесса осуществлялось изменением напряжения U и тока дуги I (см. таблицу, столбец «Примечание»).

При осаждении покрытий температуру конденсации измеряли с помощью оптического инфракрасного пирометра ЯЗЧ-51, а также оптическим микропирометром ВИМП-015М.

Микротвердость покрытий определяли на микротвердомере «ПМТ-3» под нагрузкой 100 г. Стойкостные испытания режущего инструмента проводили при продольном точении заготовок из стали 30ХГСА на токарном станке 16К20. Режимы резания: скорость резания V=160 м/мин, подача S=0,3 мм/об, глубина резания t=1,0 мм, обработка производилась без применения СОЖ. Испытывали твердосплавные пластины марки МК8, обработанные по известному и предлагаемому способам. Критерием износа служила фаска износа по задней поверхности шириной 0,4 мм.

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

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 1,61-1,99 раза.

Изобретение может быть использовано для нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия. Нижний слой наносят из нитрида соединения титана и циркония при их соотношении, мас.%: титан 53,3, цирконий 46,7. Промежуточный слой наносят из нитрида соединения титана, алюминия и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 65,0-74,0, алюминий 2,0-5,0, ниобий 24,0-30,0. Затем наносят верхний слой из нитрида соединения титана, циркония, алюминия и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 44,3-52,8, цирконий 29,9-32,4, алюминий 1,3-3,3, ниобий 16,0-20,0. Нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют из титана. Второй катод из циркония располагают противоположно первому. Между ними располагают третий катод из сплава титана, алюминия и ниобия. Нижний слой наносят с использованием первого и второго катодов, промежуточный слой - с использованием первого и третьего катодов, а верхний слой - с использованием всех трех катодов. Способ обеспечивает повышение работоспособности режущего инструмента за счет высокой стойкости пластин с покрытием. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, отличающийся тем, что наносят нижний слой из нитрида соединения титана и циркония при их соотношении, мас.%: титан 53,3, цирконий 46,7, промежуточный - из нитрида соединения титана, алюминия и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 65,0-74,0, алюминий 2,0-5,0, ниобий 24,0-30,0 и верхний - из нитрида соединения титана, циркония, алюминия и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 44,3-52,8, цирконий 29,9-32,4, алюминий 1,3-3,3, ниобий 16,0-20,0, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют из титана, второй - из циркония и располагают противоположно первому, а третий изготавливают из сплава титана, алюминия и ниобия и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и второго катодов, промежуточный - с использованием первого и третьего катодов, а верхний слой - с использованием всех трех катодов

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нижний слой наносят при температуре конденсации 600°C, промежуточный - при температуре конденсации 450°C, а верхний - при температуре конденсации 300°C.