ионно-плазменное покрытие для режущих инструментов на основе (tixalycrz)n

Формула изобретения

Износостойкое ионно-плазменное покрытие на основе сложного нитрида титана, алюминия и хрома (Ti_xAl_y Cr_z)N, нанесенное на металлическое или керамическое изделие, отличающееся тем, что содержание хрома (z) зависит от содержания алюминия и титана и находится в пределах от 1/7 до 1/5 от (x-y), при этом 0.05 x y, x/y<1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к составам ионно-плазменных износостойких покрытий на основе нитридов и может быть использовано в промышленности для повышения износостойкости режущего инструмента.

В настоящее время для упрочнения режущего инструмента и повышения его износостойкости разработано несколько основных групп покрытий. Покрытия на основе TiN; карбидов, карбонитридов бора, нитридов хрома, вольфрама и ванадия; многокомпонентные на основе различных композиций (Ti-Al)N, включая добавки Si, и различных поверхностно-активных элементов. Эти покрытия наносятся непосредственно на режущий инструмент из быстрорежущей или карбидостали, либо после нанесения подложки, ионного модифицирования поверхности (ионного легирования или азотирования). Эти покрытия могут быть однослойными или многослойными со слоями одного или различных составов. Все эти разработки велись эмпирическим путем, и до настоящего времени не сформулированы принципы выбора состава и конструкции покрытий.

[H.W.Holleck. Advanced concepts of PVD hard coatings. Vacuum 1990; 41: 220-2222].

Для работы режущих инструментов в экстремальных условиях, при высоких скоростях резания выше 300-600 м/мин используются покрытия на основе сложного кубического нитрида TiAlN. Твердость таких покрытий возрастает с увеличением концентрации алюминия до 50%. Потребность дальнейшего увеличения концентрации алюминия и, следовательно, дальнейшего повышения твердости не реализуется. Эти покрытия при высокой концентрации алюминия, превышающей 50 ат.%, являются метастабильными и имеют тенденцию к фазовому превращению с образованием гексагональной фазы.

[Horling A, Hultman L, Oden M, Sjolen J, Karlsson L. Thermal stability of arc evaporated high aluminium-content Til-xAlxN thin films. J. Vac Sci Technol A 2002; 20-5: 1815-23].

При этом существенно ухудшаются механические, а следовательно, и эксплуатационные свойства покрытия и инструментов (понижается твердость, износостойкость или время до разрушения инструмента). В настоящее время для предотвращения этого нежелательного эффекта применяют покрытия, в которые дополнительно вводится хром. Количества вводимого хрома не регламентируются и подбираются эмпирически.

[Yamamoto К, Sato Т, Taharara К. Properties of (Ti, ACr, Al)N coatings with high Al content deposited by new plasma enhanced arc-cathode. Surf Coat tech 2003; 174-175: 620-6].

Показано, что дополнительное введение хрома способствует увеличению растворимости Al в сложном нитриде выше 60% и позволяет сохранить его кубическую структуру с хорошим комплексом эксплуатационных свойств. Однако при этом наблюдается другой нежелательный эффект, а именно добавки хрома выше некоторых оптимальных могут привести к образованию частиц интерметаллидной фазы типа Al₇Cr, выпадающей в сложном нитриде (TiAlCr)N, что снижает сопротивление хрупкому разрушению.

[A.I.Kovalev, D.L.Wainstein, A.Y.Rashkovskiy, G.S.Fox-Rabinovich, K.Yamamoto, S.Veldhuis, M.Aguirre, B.D.Beake. Vacuum 2009; 84:184-187]

Эмпирический поиск составов покрытий с хромом приводит к введению избыточного количества хрома, который понижает твердость покрытий и существенно повышает расход этого металла. Таким образом, существует потребность оптимального легирования хромом покрытий на основе сложного (TiAlCr)N нитрида. При этом важным является сохранение возможности изменения соотношения титана и алюминия в нитридном покрытии в зависимости от требуемого комплекса прочностных и пластических характеристик износостойкого покрытия.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому покрытию являются ионно-плазменные покрытия, с различным содержанием хрома, титана и алюминия.

[G.S Fox-Rabinovich, A.I.Kovalev, M.N.Aguirre, B.D.Beake, K.Yamamoto, S.C.Veldhuis, J.I.Endrino, D.L.Waamstein, A.Y.Rashkovskiy. Design and performance of AlTiN and TiAlCrN PVD coatings for machining of hard to cut materials. Surface and Coatings Technology, 2009.08.021 - прототип].

В этом исследовании на основании рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии в ионно-плазменном покрытии состава (Al_0.7 Cr_0.2Ti_0.1)N определено количество хрома, который связывается с алюминием в сложном нитриде типа (Ti-Cr-Al)N, в интерметаллиде A₇Cr и находится в избыточном количестве (Cr-Cr).

Как было установлено, такие покрытия характеризуются высоким, но нестабильным комплексом механических свойств и при нанесении на инструмент, а также при эксплуатации и локальном разогреве в зоне резания способны к фазовым превращениям с выделением гексагонального нитрида алюминия AlN и интерметаллида Al₇Cr. Анализ этих результатов позволил впоследствии обосновать идею предлагаемого изобретения.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке оптимального легирования хромом сложного ионно-плазменного покрытия режущих инструментов на основе (Ti_xAl_yCr _z)N для повышения его твердости и износостойкости при высоких скоростях сухого резания.

Технический результат изобретения заключается в стабилизации кубической структуры и гомогенизации покрытия на основе (Ti_xAl_y Cr_z)N, повышения температурной стабильности фазового состава и механических свойств.

Указанный технический результат достигается тем, что износостойкое ионно-плазменное покрытие на основе сложного нитрида титана, алюминия и хрома (Ti_xAl_yCr_z)N, нанесенное на металлическое изделие, согласно изобретению, содержит хром в оптимальном количестве (z), зависящем от содержания алюминия и титана и находящимся в пределах от 1/7 до 1/5 от (x-y), при этом 0.05 x y, x/y<1.

Сущность изобретения заключается в том,

- что ионно-плазменное покрытие формируется на основе гомогенного сложного нитрида и допускает варьирование концентраций титана и алюминия;

- регламентируется оптимальное содержание хрома в износостойком ионно-плазменном покрытии на режущем инструменте на основе сложного нитрида (Ti _xAl_yCr_z)N;

- сложный нитрид сохраняет свою кубическую кристаллическую структуру при атомной концентрации алюминия от 0 до 75%;

- при эксплуатации и разогреве режущей кромки инструмента до 800°С в покрытии не выделяются гексагональные фазы;

- в покрытии не образуются включения интерметаллида типа Al ₇Cr;

- в гомогенном покрытии не возникают нежелательные дилатационные эффекты и термические напряжения, обусловленные распадом сложного нитрида и выделением избыточных фаз (AlN, Al₇Cr), имеющих отличные коэффициенты термического расширения по сравнению с основным покрытием.

Оптимальное количество хрома в ионно-плазменном покрытии должно быть в пределах от 1/7 до 1/5 от разности содержания (Al-Ti) при атомной концентрации Ti больше 0.05 и отношении содержания титана к содержанию алюминия меньше единицы (Ti/Al<l). Хром необходимо вводить в нитрид на основе (TiCrAl)N в зависимости от концентрации титана и алюминия при превышении содержания алюминия выше 50%, что позволит сохранить стабильным фазовый состав покрытия и, как следствие, увеличить его твердость, износостойкость и термическую стабильность, необходимые для осуществления операций сухого резания при различных скоростях. Покрытие в виде гомогенного сложного нитрида на основе (TiCrAl)N толщиной порядка 8.0 мкм методом ионно-плазменного осаждения с использованием магнетронного источника и магнитной сепарации капельной фазы наносится на рабочую часть режущего инструмента (концевые фрезы, сверла, режущие пластины из теплостойкой быстрорежущей стали или карбидостали). В зависимости от требуемого комплекса механических свойств допускается варьирование содержания титана и алюминия, а количество вводимого хрома является оптимальным, зависит от этих концентраций и стабилизирует кубическую структуру покрытия, приводя к повышению износостойкости и твердости.

Покрытия могут использоваться в промышленности для повышения износостойкости режущего инструмента.

Изобретение иллюстрируется графиками. На фиг.1 представлена зависимость износа ионно-плазменных покрытий различного состава от длины резания стали 45 при скорости 450 м/мин. подаче 0.11 мм/оборот и глубине 0.5 мм. Эти результаты получены при испытании покрытий на режущих пластинах. На фиг.2 показана зависимость износа, твердости и пластичности ионно-плазменных покрытий на концевых фрезах при фрезеровании со скоростью 7000 об/мин, подаче 840 мм/мин, при осевой глубине 5.0 мм и радиальной глубине фрезерования 0.6 мм. Износ определяли после 250 м резания.

Примеры реализации изобретения.

Износостойкое покрытие наносится по технологии ионно-плазменного напыления.

Режущий инструмент из карбидостали на основе быстрорежущей стали Р6М5К5 с добавкой 20% TiC и 2% BN в виде призматических режущих пластин 12×12×5 или концевых фрез диаметром 8.0 мм длиной 110 мм размещается в рабочей камере вакуумной напылительной установки и перед нанесением покрытия подвергается поверхностной очистке ионами аргона. При нанесении покрытия инструмент имеет температуру +500°С. Покрытие наносится в газовой смеси аргона и азота при давлении порядка 2.7 Па и парциальном давлении азота порядка 1.3.Па. Для нанесения покрытия используется "несбалансированный" магнетронный источник. Источник плазмы работает при токе 100 А для катодов диаметром 100 мм. Источник работает по режимам 0.5 и 1.0 кВт и 1.5 кВт для катодов диаметром 130-160 мм. При нанесении покрытия образцы вращаются в рабочей камере со скоростью 5 оборотов в минуту.

Для напыления используют катод, изготовленный из сплава, который содержит необходимую концентрацию элементов (Ti_xAl_yCr_z ).

Пример 1, демонстрирует повышение износостойкости ионно-плазменного покрытия на основе (TiAlCr)N оптимизацией содержания хрома при заданном отношении Al/Ti.

На фиг.1 представлена зависимость износа покрытий от длины резания стали 45 при скорости 450 м/мин, подаче 0.11 мм/оборот и глубине 0.5 мм,

Как видно по результатам стендовых испытаний, ионно-плазменное покрытие состава (TiAlCr)N (25:65:10) имеет несколько лучшую износостойкость, чем покрытие состава (TiAlCr)N (10:70:20). В соответствии с формулой изобретения состав ионно-плазменного покрытия (Ti_xAl_yCr_z)N (25:65:10) нами был оптимизирован таким образом, что рекомендуемое количество хрома находится в пределах от 1/7 до 1/5 от (Al-Ti) при сохранении Ti/Al=25/65=0.39. В соответствии с формулой изобретения новый состав покрытия соответствует (TiAlCr)N (26:67:7). В покрытии снижено содержание хрома в соответствии с формулой изобретения при сохранении необходимого соотношения Ti/Al=0.39. Показано, что износостойкость покрытия (TiAlCr)N (25:65:10) (кривая 2) повысилась при уменьшении содержания хрома до оптимального равного 7% в покрытии (TiAlCr)N (26:67:7) при сохранении того же относительного содержания титана и алюминия (кривая 3). Стрелкой показано, что величина критического износа в 0.3 мм наступает после резания на расстояние 7500 метров для покрытия с оптимальным содержанием хрома по сравнению с покрытием неоптимального состава, для которого этот износ наблюдается уже после резания на расстояние 6000 метров.

Пример 2. демонстрирует повышение износостойкости при фрезеровании, твердости и пластичности ионно-плазменного покрытия на основе (TiAlCr)N оптимизацией содержания хрома при заданном отношении Al/Ti (фиг.2). Данные для точки (TiAl)N взяты из источника [Synergistic alloying of self-adaptive wear resistant coatings, A.I. Kovalev, G.S. Fox-Rabinovich, K. Yamamoto in book: Self-organization during friction: Advance Surface Engineered materials, Taylor and Francis Group. Boca Raton, NY, USA (2006) 297-335].

Как показали испытания, оптимизация содержания хрома в соответствии с формулой изобретения, проведенная для различных покрытий на основе (TiAlCr)N, привела к уменьшению содержания хрома от 10% до 7% и от 20% до 13% при сохранении прежних количественных отношений Al/Ti в составе покрытия. При этом механические и эксплуатационные свойства покрытий заметно улучшились: повысились твердость, износостойкость и запас пластичности.

Таким образом, оптимизация состава покрытия в соответствии с формулой изобретения достигается введением необходимого количества хрома, зависящего от концентрации алюминия и титана, и позволяет:

- стабилизировать фазовый состав покрытия с высоким содержанием алюминия при концентрации Ti>5% и Ti/Al<1, а именно сохранить кубическую структуру вплоть до высоких температур 600-700°С.

- повысить износостойкость покрытия при резании (см. фиг.1);

- повысить его износостойкость, твердость и пластичность при фрезеровании (см. фиг.2).