способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента

Формула изобретения

1. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение двухслойного покрытия, отличающийся тем, что в качестве нижнего слоя при давлении азота в камере установки 8·10^-4 Па наносят нитрид титана и циркония или нитрид титана и железа, или нитрид титана и кремния, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 4·10^-3 Па наносят такой же нитрид, легированный алюминием.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в двухслойном покрытии наносят нижний слой толщиной 25-50% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет 3-9 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.

Известен способ получения износостойкого покрытия для режущего инструмента (РИ), при котором на его поверхность вакуумно-дуговым методом наносят покрытие 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, 122 с.). К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе покрытия, обладающие хорошей адгезией к инструментальному материалу, имеют относительно низкую твердость и уровень сжимающих напряжений либо имеют высокую микротвердость, но недостаточную прочность сцепления с инструментальной основой. В результате этого покрытие легко подвергается абразивному 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, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида титана TiN и верхнего слоя нитрида титана-циркония TiZrN (см. Свидетельство на полезную модель RU 27089 U1, МПК 7 С 23 С 14/00. - 10.01.2003. - Бюл. №1), принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе многослойное покрытие содержит слои, имеющие низкую прочность, износостойкость и трещиностойкость. 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. Основной причиной износа РИ является возникновение трещин в его режущей части, являющихся причиной появления сколов и выкрашиваний, связанных с усталостным разрушением и явлением ползучести режущего клина РИ. Одним из путей повышения стойкости и работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа. Наличие в покрытии слоев с определенными теплофизическими и механическими свойствами способно тормозить процессы образования и распространения трещин без снижения микротвердости, улучшить термонапряженное состояние РИ с покрытием и повысить стойкость РИ. Также при резании с высокими скоростями резания интенсифицируются процессы окислительного и диффузионного износа, способствующие разупрочнению материала покрытия и инструментальной основы.

Технический результат - повышение работоспособности РИ и качества обработки.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе на рабочие поверхности РИ вакуумно-дуговым методом наносится двухслойное покрытие. Особенность заявляемого способа заключается в том, что в качестве нижнего слоя при давлении азота в камере установки 8·10 ^-4 Па наносят нитрид титана и циркония или нитрид титана и железа или нитрид титана и кремния, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 4·10 ^-3 Па наносят такой же нитрид, легированный алюминием. Осаждение нижнего слоя покрытия при пониженном давлении газа позволяет получить более высокую прочность сцепления покрытия с инструментальной основой. Компоновка установки для нанесения покрытия включает один катод из титанового сплава ВТ1-0, один катод из титанового сплава, содержащий вставку из циркония или железа (или составной катод со вставкой из титана и кремния), и один катод с алюминиевым корпусом, содержащий вставку из титана. При осаждении верхнего слоя используются все три катода с целью получения слоя TiZrAlN, TiFeAlN или TiSiAlN, а при осаждении нижнего слоя катод, содержащий алюминий, отключают. Использование в качестве материалов слоев сложных нитридов (TiZrAlN, TiFeAlN или TiSiAlN) обеспечивает высокую стойкость к окислительному и диффузионному износу, а также высокую износостойкость, а применение в качестве материалов обоих слоев многокомпонентных материалов способствует повышению трещиностойкости покрытия. При этом в зависимости от области использования инструмента с покрытием его общая толщина может колебаться в пределах от 3 до 9 мкм, а доля нижнего слоя составлять 25-50% от общей толщины покрытия.

Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе резания РИ работает в условиях окислительного и диффузионного износа, а также воздействия адгезионно-усталостных процессов и трещин. Для снижения интенсивности процессов износа и разрушения покрытия и самого инструмента наиболее эффективны покрытия сложного состава, а в условиях трещинообразования еще большую эффективность показывают многослойные покрытия со слоями сложного состава. При этом увеличение количества легирующих элементов в составе покрытия приводит к росту его твердости и износостойкости, а также - трещиностойкости. Однако при этом часто снижается прочность сцепления покрытия с инструментальной основой. В то же время повысить прочность сцепления покрытия с основой можно путем снижения давления реакционного газа при его конденсации, правда при этом снижаются другие его эксплуатационные свойства (износостойкость и др.). Поэтому целесообразно применение двухслойного покрытия, в котором верхний слой должен обладать наивысшими износо- и трещиностойкостью, а нижний в первую очередь должен обеспечивать высокую прочность сцепления с инструментальной основой. В зависимости от условий резания толщина покрытия меняется от 3 до 9 мкм (меньшие значения - при прерывистом резании). При этом при уменьшении толщины покрытия доля нижнего слоя возрастает до 50%, чтобы обеспечить возможность получения сплошного слоя, способного полноценно выполнять свои функции (слои толщиной менее 1 мкм нефункциональны). Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанных в формуле изобретения толщин слоев, 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. Покрытия наносили на твердосплавные пластины в вакуумной камере установки "Булат-6", снабженной тремя вакуумно-дуговыми испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. В качестве катодов испаряемого металла при нанесении нижнего слоя (TiZrN, TiFeN или TiSiN) использовали один катод из титанового сплава ВТ1-0 и один катод из титанового сплава, содержащий вставку из циркония или железа (или катод со вставкой из титана и кремния). При нанесении верхнего слоя (TiZrAlN, TiFeAlN или TiSiAlN) используют указанные два катода плюс катод, содержащий вставку из сплава титана и алюминия и расположенный между первыми катодами. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки.

Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа (покрытие TiZrN-TiZrAlN толщиной 6 мкм).

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 испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. Камеру откачивают до давления 6,65·10 ^-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают один испаритель и при токе дуги 100 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°С. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем снижают отрицательное напряжение до 140 В, ток катушек до 0,3 А, включают два противоположных испарителя (катода) - титановый и составной (с циркониевой вставкой), подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм (слой TiZrN) в течение 12 мин при давлении газа 8·10 ^-4 Па. Затем при напряжении до 140 В, токе фокусирующих катушек до 0,3 А включают третий катод (содержащий алюминий). В камеру подается реакционный газ (давление 4·10 ^-3 Па) - азот и осаждают второй слой покрытия (TiZrAlN) толщиной 4,0 мкм в течение 24 мин. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Стойкостные испытания проводили на токарно-винторезном станке 16К20 при обработке конструкционной стали 5ХНМ. Испытывали твердосплавные пластины марки МК8, обработанные по известному и предлагаемому способам. Критерием износа служила фаска износа по задней поверхности шириной 0,4 мм.

Таблица 1 Результаты испытаний РИ с покрытием
№ пп	Материал покрытия		Толщина слоев покрытия (нижний-верхний), мкм	Н , ГПа	К0	Стойкость, мин	Примечание
1	2		3	4	5	6	7
Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=157 м/мин, S=0,25 мм/об, t=1 мм
1		TiN	6	21,2	0,70	38	Аналог
2		TiN-TiZrN	2-4	32,0	0,55	84	Прототип
3		TiZrN-TiZrAlN	2-4	36,1	0,33	117	В соответствии с формулой
4		TiSiN-TiSiAlN	2-4	36,0	0,34	116
5		TiFeN-TiFeAlN	2-4	34,9	0,39	106
6		TiZrN-TiZrAlN	4-2	35,9	0,34	110	Получены с отклонениями
7		TiSiN-TiSiAlN	4-2	35,9	0,35	111
8		TiFeN-TiFeAlN	4-2	34,1	0,41	100
9		TiZrN-TiZrAlN	2-4	36,3	0,40	111	При одинаковом давлении
10		TiSiN-TiSiAlN	2-4	36,3	0,40	109
11		TiFeN-TiFeAlN	2-4	35,2	0,45	101
1. Н - микротвердость, ГПа (по Виккерсу). 2. К0 - коэффициент отслоения, уменьшение величины которого свидетельствует о росте прочности сцепления с инструментальной основой.

Как видно из приведенных в табл.1 данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше стойкости пластин, обработанных по способу-прототипу, в 1,2-1,35 раза. При этом пп.6-8 иллюстрируют, что при нарушении требований по назначению толщин слоев стойкость пластин снижается. В пп.9-11 показано, что в случае применения покрытий со слоями, осажденными при одинаковом давлении газа, стойкость также снижается.