СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ОСАЖДЕНИЕМ МУЛЬТИСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ Ti - Al Российский патент 2019 года по МПК C23C14/24 C23C14/14 C23C14/02 C23C14/34 

Изобретение относится к области машиностроения, и может быть использовано в инструментальном производстве для поверхностного упрочнения металлорежущих инструментов.

Стойкость и износостойкость являются основными характеристиками надежности инструмента. Около 90% случаев выхода инструмента из строя связана с воздействием на него сжимающих, изгибающих, ударно-импульсивных и знакопеременных нагрузок внешних усилий и нагрузок в процессе резания. В результате на контактные площадки инструмента воздействуют абразивные, адгезионно-усталостные, коррозионно-окислительные и диффузионные процессы. В связи с этим на сегодняшний день применяют новые инструментальные материалы или применяют дополнительные методы упрочнения контактных площадок режущего инструмента. Одним из экономически и технически эффективных методов, предлагаемых и используемых при решении задачи повышения износостойкости режущего инструмента, является метод вакуумно-дугового осаждения покрытий.

Известен способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение слоев покрытия, при этом нижний слой наносят из соединения титана и металла, легированного алюминием, верхний слой из - нитрида или карбонитрида титана и металла, а промежуточный - из материала верхнего слоя, легированного алюминием, при этом в качестве металла используют кремний, или хром, или молибден, или цирконий, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, два из которых располагают противоположно и выполняют составными из титана и используемого металла, а третий выполняют составным из титана и алюминия.(патент РФ №2269605, МПК С23С 14/06, 10.02.2006 20.12.2014, Бюл. №4)

Недостатком данного способа является недостаточная твердость а, следовательно, трещиностойкость и низкие сжимающие остаточные напряжениям. В результате покрытие быстро разрушается при резании. Недостатком является сложность изготовления составных катодов, что ведет к удорожанию реализации способа. Использование составных катодов не обеспечивает однородности по химическому составу покрытия по всей поверхности режущего инструмента.

Известен способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий ионную очистку с нагревом подложки перед осаждением и вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, по которому нагрев подложки перед осаждением покрытия осуществляют в процессе ионной очистки со скоростью нагрева 70 К/мин до температуры 650 К, наносят на подложку нижний слой титана Ti в среде инертного газа с окончательной температурой покрытия после осаждения 615÷630 К, затем в газовой смеси аргона и азота с содержанием азота в количестве не менее 90% наносят чередующиеся слои двухкомпонентного нитрида титана TiN с структурой и двухкомпонентного нитрида титана TiN с нанокристаллической структурой (патент РФ №2487189, МПК С23С 14/24 04.04.2012, Бюл. №19)

Недостатком данного способа является то, что используются составные катоды, которые не обеспечивают однородности по химическому составу покрытия по всей поверхности режущего инструмента.

Известен способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, по которому наносят нижний слой из нитрида соединения титана, кремния и хрома при их соотношении, мас. %: титан 87,5-90,9, кремний 0,6-1,0, хром 8,5-11,5, промежуточный - из карбонитрида соединения титана, кремния и хрома при их соотношении, мас. %: титан 87,5-90,9, кремний 0,6-1,0, хром 8,5-11,5, а верхний - из нитрида соединения титана и кремния при их соотношении, мас. %: титан 98,5-99,1, кремний 0,9-1,5, при этом нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют из сплава титана и кремния и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и хрома и располагают между ними, причем нижний и промежуточный слои наносят с использованием всех трех катодов, а верхний слой - с использованием первого и второго катодов, (патент РФ №2503743, МПК С23С 14/24 10.01.2014, Бюл. №1)

Недостатком данного способа является то, что используются составные катоды, которые не обеспечивают однородности по химическому составу покрытия по всей поверхности режущего инструмента.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ, включающий размещение обрабатываемой инструмента в вакуумной камере установки, содержащей плазменный источник с накальным катодом и два электродуговых испарителя в виде катодов из алюминия и титана, расположенных в одной плоскости напротив друг друга, ионную очистку поверхности инструмента плазменным источником с накальным катодом, ионную очистку электродуговым испарителем в среде инертного газа при нагреве поверхности до температуры 300-350°С, нанесение на поверхность инструмента нижнего слоя титана посредством титанового катода, нанесение слоя на основе нитрида интерметаллида системы Ti-Al посредством двух катодов, нанесение слоя на основе интерметаллида системы Ti-Al посредством двух катодов, при этом нанесение слоев покрытия осуществляют при ассистировании плазменным источником с накальным катодом, а при нанесении слоя на основе интерметаллида изменение его фазового состава осуществляют путем изменения расположения обрабатываемой инструмента в вакуумной камере. (патент РФ №2489514 МПК С23С 14/24, 10.08.2013 Бюл. №22). Данный способ взят за прототип.

Недостатком способа является то, что изменение фазового состава интерметаллида TiAl₃, Ti₃Al в покрытии Ti-Al осуществляется путем изменения расположения обрабатываемых инструментов в вакуумной камере. То есть при нанесении слоев покрытия в полной загрузке вакуумной камеры не будет обеспечена однородность по химическому и фазовому составу на поверхности инструмента.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности получаемого покрытия и, соответственно, надежности режущего инструмента.

Технический результат заключается в обеспечении однородности по химическому составу покрытия по всей поверхности режущего инструмента, в формировании мультислойной структуры покрытия, а также в получении интерметаллидных фаз TiAl₃, Ti₃Al в покрытии Ti-Al.

Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения режущего инструмента осаждением мультислойных покрытий системы Ti-Al. Включающий размещение режущего инструмента в рабочей камере, активирование его поверхности перед осаждением мультислойных интерметаллидных покрытий системы Ti-Al. Для этого проводят очистку и нагрев поверхности инструмента с помощью плазменного источника накального катода. Затем проводят очистку и нагрев инструмента электродуговыми испарителями согласно изобретению поверхность режущего инструмента нагревают до 200-300°С, очистку и нагрев режущего инструмента производят электродуговыми испарителями до 450-500°С. После чего наносят покрытие при одновременном распылении двух однокомпонентных катодов из Al и Ti, и вращении стола вокруг своей оси. Мультислойность обеспечивают при одновременном распылении двух однокомпонентных катодов из Al и Ti и послойного нанесения TiAlN и TiAl, в качестве рабочего газа используют аргон при напылении титан-алюминия, при напылении нитрида титана алюминия - азот. Смену газов осуществляют при помощи регулятора расхода газов, с возможностью напыления послойных покрытий в едином цикле. Осаждение осуществляют чередованием слоев TiAlN и TiAl, которые повторяют не менее 10 раз, при этом скорость вращения стола - 10 об/мин. Толщина каждого слоя от 5…50 нм, при общей толщине покрытия до 5 мкм, в покрытиях образуются интерметаллидные фазы TiAl₃, Ti₃Al, в чистом виде Ti и Al.

Пример конкретной реализации способа

Этапы технологического процесса осаждения покрытия включают в себя:

- предварительную подготовку обрабатываемых инструментов;

- загрузку обрабатываемых инструментов в камеру и откачку воздуха из камеры;

- ионную чистку инструментов плазменным источником с накаленным катодом;

- чистку инструментов электродуговыми испарителями;

- нанесение многослойного защитного покрытия на основе интерметаллида системы Ti-Al;

- охлаждение обработанных инструментов в вакууме.

Предварительная подготовка поверхности (химическая очистка) обрабатываемых инструментов представляет собой удаление с поверхности видимых слоев органических загрязнений: остатков масел, смазочных материалов, отпечатков пальцев и жировых пятен. Как правило, используются органические растворители: этиловый спирт, ацетон.

Ионная очистка и активирование поверхности разрядом производилась с помощью плазменного источника в среде инертного газа аргона при давлении 5,2⋅10^-2 Па. Напряжение на подложке составляло до 900 В при токе несамостоятельного сильноточного диффузионного разряда до 40 А, длительность обработки 60 минут, в том числе 10 минут на максимальных режимах.

Очистка поверхности ионами аргона разрушает структуру поверхности и приводит к высокой концентрации дефектов поверхностного слоя. В процессе ионной очистки высокой энергией, производится предварительный подогрев подложки до 300°С.

Очистка инструментов электродуговыми испарителями проводится в течения 10 минут, при напряжении на подложке 1000 В. При этом инструмент нагревают до температуры 450-500°С.

Следующей стадией технологического процесса является нанесение многослойных покрытий на основе интерметаллида системы Ti-Al. Нанесение мультислойных покрытий проводилось с двух электродуговых испарителей при давлении в камере 10^-3 Па, потенциал на подложке составлял 100-180 В и при токе дуги электродугового испарителя титана 50-80 А, алюминия 40-60 А. Осаждения покрытий проводилось с одновременной бомбардировкой ионами рабочего газа, генерируемыми плазменным источником, ток несамостятельного сильноточного диффузионного разряда составлял 10 А. Мультислойное покрытие состоит из композиции Ti-TiAl₃-Ti₃Al-TiAlN и содержит слоев (более 1000 шт). При напылении слоя чистого титана и интерметаллида TiAl в качестве рабочего газа использовался аргон, при напылении нитрида титана алюминия - азот. Последним наносят слой нитрида титана TiN. В результате микротвердость покрытия на поверхности инструмента составила 36 гПа.

Итак, заявляемое изобретение позволяет наносить мультислойные покрытия на основе интерметаллида системы Ti-Al (TiAl, Ti₃Al, TiAl₃) необходимого фазового состава и обеспечивает однородность по химическому составу покрытия по всей поверхности режущего инструмента.

Изобретение относится к способу упрочнения режущего инструмента осаждением мультислойных покрытий системы Ti - Al и может быть использовано в инструментальном производстве. Осуществляют размещение режущего инструмента в рабочей камере, активирование его поверхности перед осаждением мультислойных интерметаллидных покрытий системы Ti - Al. Очистку и нагрев поверхности инструмента до 200-300°С осуществляют с помощью плазменного источника накального катода, затем проводят очистку и нагрев инструмента электродуговыми испарителями до 450-500°С. После наносят покрытие при одновременном распылении двух однокомпонентных катодов из Al и Ti. Технический результат: повышение надежности получаемого покрытия и, соответственно, надежности режущего инструмента путем обеспечения однородности по химическому составу покрытия по всей поверхности режущего инструмента, формирование мультислойной структуры покрытия, а также получение интерметаллидных фаз TiAl₃, Ti₃Al в покрытии Ti - Al. 1 пр.

Способ упрочнения режущего инструмента, включающий осаждение мультислойного покрытия системы Ti - Al, при этом осуществляют размещение режущего инструмента в рабочей камере на столе, активирование его поверхности перед осаждением мультислойного интерметаллидного покрытия системы Ti - Al путем нагрева и очистки поверхности инструмента с помощью плазменного источника накального катода и очистки и нагрева инструмента электродуговыми испарителями, отличающийся тем, что очистку поверхности инструмента с помощью плазменного источника выполняют при нагреве поверхности режущего инструмента до 200-300°С, а очистку и нагрев режущего инструмента электродуговыми испарителями осуществляют при температуре 450-500°С, при этом мультислойное покрытие наносят при одновременном распылении двух однокомпонентных катодов из Al и Ti и вращении стола вокруг своей оси с послойным нанесением TiAlN и TiAl, причем в качестве рабочего газа используют аргон при напылении титан-алюминия и азот при напылении нитрида титана алюминия, при этом смену газов осуществляют при помощи регулятора расхода газов, при этом напыление послойных покрытий выполняют в едином цикле с чередованием осаждения слоев TiAlN и TiAl, которые повторяют не менее 10 раз, при этом скорость вращения стола 10 об/мин, толщина каждого слоя от 5…50 нм при общей толщине покрытия до 5 мкм , в котором образованы интерметаллидные фазы TiAl₃, Ti₃Al, в чистом виде Ti и Al.