способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента

Формула изобретения

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение двухслойного покрытия, отличающийся тем, что в качестве нижнего слоя наносят нитрид титана, алюминия и хрома, содержащий 5-6% хрома, а в качестве верхнего слоя наносят нитрид титана, алюминия и хрома, содержащий 10-12% хрома, при этом нанесение покрытия осуществляют с использованием трех катодов, расположенных в горизонтальной плоскости, из которых два противоположных содержат титан и алюминий, а расположенный между ними испаритель содержит титан и хром, причем при нанесении нижнего слоя используют катод, содержащий титан и хром, и два катода, содержащих титан и алюминий, а при нанесении верхнего слоя используют катод, содержащий титан и хром, и один из катодов, содержащих титан и алюминий.

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 С23С 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 низкие микротвердость, прочность сцепления друг с другом, износостойкость и стойкость к диффузионному и коррозионно-окислительному износу. 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 разупрочнение в результате действия диффузионных и коррозионно-окислительных процессов, а также образование микротрещин. Одним из путей повышения стойкости и работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа на основе сложнолегированных материалов. Наличие в покрытии сложнолегированных слоев, обладающих высокой термодинамической стабильностью, позволяет снизить интенсивность физико-химических процессов износа покрытия и повысить стойкость РИ. Для повышения прочности сцепления слоев друг с другом целесообразно включать в их состав различные элементы.

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 наносят нитрид титана, алюминия и хрома, содержащий 5-6% хрома, а в качестве верхнего слоя наносят нитрид титана, алюминия и хрома, содержащий 10-12% хрома, при этом нанесение покрытия осуществляют с применением трех катодов, расположенных в горизонтальной плоскости, из которых два противоположных содержат титан и алюминий, а расположенный между ними катод содержит титан и хром, причем при нанесении нижнего слоя используют катод, содержащий титан и хром, и два катода, содержащих титан и алюминий, а при нанесении верхнего слоя используют катод, содержащий титан и хром, и один из катодов, содержащих титан и алюминий. Нижний слой обладает повышенной прочностью сцепления с инструментальной основой, а верхний - повышенной микротвердостью и износостойкостью. При этом оба слоя состоят из химически близких материалов, что повышает прочность их связи.

Компоновка установки для нанесения покрытия включает два составных катода, содержащих корпус из алюминиевого сплава и вставку из титана ВТ1-0, расположенные друг напротив друга, и один составной катод с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 и вставкой из хрома, расположенный между первыми двумя катодами. При осаждении нижнего слоя используются все три катода с целью получения слоя TiAICrN, содержащего 5-6% хрома, а при осаждении верхнего слоя один катод, содержащий алюминий, отключают. Использование в качестве материалов слоев сложных нитридов (TiAICrN) обеспечивает высокую стойкость к окислительному и диффузионному износу, а также высокую износостойкость, а применение в качестве материалов обоих слоев многокомпонентных материалов способствует повышению прочности связи слоев 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 - термодинамической устойчивости. 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. Для получения высокой прочности сцепления слоев в их состав входят одинаковые химические элементы. 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 верхнего слоя использовали один составной катод, содержащий титан и алюминий, а также один составной катод с корпусом из титанового сплава ВТ1-0, содержащий вставку из хрома. При нанесении нижнего слоя используют два катода, содержащих титан и алюминий, и один составной катод с корпусом из титанового сплава ВТ1-0, содержащий вставку из хрома. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки.

Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа (покрытие TiAICrN-TiAICrN 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 три испарителя (катода): два, содержащих титан и алюминий, и один, содержащий титан и хром, подают в камеру реакционный газ - азот - и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм в течение 12 мин при давлении газа 8·10 ^-4 Па. Затем при напряжении до 140 В, токе фокусирующих катушек до 0,3 А выключают третий катод (содержащий титан и алюминий). В камеру подается реакционный газ (давление 4·10 ^-3 Па) - азот - и осаждают второй слой покрытия 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 30ХГСА. 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	H , ГПа	К0	Стойкость, мин	Примечание
1	2	3	4	5	6	7
Обрабатываемый материал - 30ХГСА, V=200 м/мин, S=0,3 мм/об, t=1,5 мм
1	TiN	6	21,2	0,70	29	Аналог
2	TiN-TiZrN	2-4	32,0	0,55	62	Прототип
3	TiAICrN-TiAICrN	2-4	35,9	0,33	130	-
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, примерно в 2 раза.