Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента Российский патент 2023 года по МПК C23C14/16 C23C14/18 C23C14/24 

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 ниобия (NbTiN) (см. патент на изобретение RU 2640693 C1). 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 соединения титана, ниобия и молибдена TiNbMoN и верхнего слоя нитрида ниобия NbN (см. патент на изобретение RU 2538055 C1), 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 недостаточными твердостью и остаточными сжимающими напряжениями, 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. В двухслойном покрытии нижний слой должен обладать хорошей адгезией к инструментальной основе, высокими сжимающими напряжениями, что должно препятствовать образованию и развитию трещин в покрытии. Кроме того, создание микрослоистости 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 ниобия и железа и верхний из нитрида ниобия, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют из ниобия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из ниобия и железа и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием всех трех катодов, а верхний слой – с использованием первого и второго катодов.

Такая структура покрытия позволяет получить более высокую твердость нижнего слоя покрытия. При этом нижний слой обладает высокими трещиностойкостью и уровнем сжимающих напряжений из-за дополнительного легирования материала слоя 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. В этих условиях покрытие должно иметь слоистую структуру для торможения трещин. 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 двухслойное покрытие по предлагаемому способу.

Нанесение предлагаемого покрытия осуществляется следующим образом. Твердосплавные пластины МК8 (размером 4,7х12х12 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 ниобия, второй – из ниобия и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из ниобия и железа 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 третий катод 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 нижний слой покрытия NbFeN толщиной 3,0 мкм. Верхний слой покрытия NbN толщиной 3,0 мкм наносят c использованием первого и второго катодов при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А 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.

Микротвердость покрытий определяли на микротвердомере «ПМТ-3» под нагрузкой 100 г. Остаточные напряжения определяли на рентгеновском дифрактометре «ДРОН-3М» с использованием фильтрованного Cu_Кα-излучения.

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 h_з = 0,4 мм.

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

Таблица 1 - Результаты испытаний РИ с покрытием

Материал покрытия Химический состав нижнего слоя покрытия (соотношение металличес-ких компонентов), % мас. Микро-
твердость,
ГПа Остаточные напряжения, МПа Стойкость,
мин Примеча-ние Ti Mo Nb 1 2 3 4 5 6 7 8 NbTiN 44,4 - 55,6 39,6 -1530 67 Аналог TiNbMoN-NbN 87,25 4,75 8,0 38,9 -1407 190 Прототип NbFeN-NbN 1,4* - 98,6 39,2 -1682 207

* - содержание Fe в покрытии

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 1,09 раза.

Изобретение относится к способу нанесения износостойкого покрытия на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия. Сначала наносят нижний слой из нитрида соединения ниобия и железа. Затем наносят верхний слой из нитрида ниобия. Нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами. Первый и второй катоды выполняют из ниобия и располагают противоположно друг другу. Третий катод изготавливают составным из ниобия и железа и располагают между ними. Нижний слой наносят с использованием трех упомянутых катодов, а верхний слой – с использованием первого и второго катодов. Обеспечивается повышение работоспособности 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 соединения ниобия и железа и верхний слой из нитрида ниобия, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют из ниобия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из ниобия и железа и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием трех упомянутых катодов, а верхний слой – с использованием первого и второго катодов.