Способ получения износостойкого покрытия для режущего инструмента Российский патент 2018 года по МПК C23C14/24 C23C14/02 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 и кремния (TiSiN) (см. Чихранов А.В. Повышение работоспособности режущего инструмента путем разработки и применения многоэлементных износостойких покрытий на основе модифицированного нитрида титана: дисс. … канд. тех. наук: 05.03.01, 2006. - 314 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 износостойкого покрытия из нитрида титана, кремния и алюминия TiSiAlN (см. Табаков В.П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента / В.П. Табаков. - М.: Машиностроение, 2008. - 312 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 износостойкое 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, обладающих высокой твердостью, трещино- и износостойкостью. Такой эффект может быть достигнут целенаправленным легированием и созданием микрослоистости покрытия при его осаждении.

Технический результат - повышение работоспособности РИ.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что наносят износостойкое покрытие из нитрида титана, алюминия, кремния, циркония и ниобия при их соотношении, мас. %: титан 57,25, алюминий 9,43, кремний 0,86, цирконий 23,34, ниобий 9,12, а нанесение покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют из сплава титана и кремния, второй - из сплава титана и алюминия и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из циркония и ниобия и располагают между ними.

Такое расположение катодов позволяет получить при осаждении покрытия наибольшее количество микрослоев в покрытии с хорошей адгезией между ними и максимальным их упрочнением за счет взаимного легирования элементами из разных катодов.

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. Покрытие должно обладать высокой твердостью для повышения износо- и трещиностойкости.

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 износостойкие покрытия по предлагаемому способу.

Нанесение предлагаемых покрытий 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 сплава титана и кремния, второй - из сплава титана и алюминия и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из циркония и ниобия и располагают между ними.

Камеру откачивают до давления 6,65⋅10^-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают катод из сплава титана и кремния и при токе дуги 100 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°С.Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и подаче реакционного газа азота включают все три катода и осаждают износостойкое покрытие TiAlSiZrNbN толщиной 6 мкм. 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 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 1,45 раза.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида титана, алюминия, кремния, циркония и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 57,25, алюминий 9,43, кремний 0,86, цирконий 23,34, ниобий 9,12. Нанесение покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами. Первый катод выполняют из сплава титана и кремния, второй - из сплава титана и алюминия и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из циркония и ниобия и располагают между ними. В результате нанесения износостойкого покрытия повышается работоспособность режущего инструмента. 1 табл.

Способ получения износостойкого покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение покрытия, отличающийся тем, что наносят износостойкое покрытие из нитрида титана, алюминия, кремния, циркония и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 57,25, алюминий 9,43, кремний 0,86, цирконий 23,34, ниобий 9,12, при этом нанесение покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют из сплава титана и кремния, второй - из сплава титана и алюминия и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из циркония и ниобия и располагают между ними.