способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента

Формула изобретения

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, отличающийся тем, что наносят нижний слой из нитрида или карбонитрида соединения титана, циркония и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 84,0-90,0, цирконий 4,0-6,0, ниобий 6,0-10,0; промежуточный - из нитрида или карбонитрида соединения титана, циркония и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 74,0-82,0, цирконий 12,0-16,0, ниобий 6,0-10,0; верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана и циркония при их соотношении, мас.%: титан 89,0-92,0, цирконий 8,0-11,0, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и циркония и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и ниобия и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и третьего катодов, промежуточный слой - с использованием второго и третьего катодов, верхний слой - с использованием первого и второго катодов.

Описание изобретения к патенту

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 (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. 123 с.).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе наносимое покрытие не обеспечивает такой же высокой эффективности при работе режущего инструмента с этим покрытием в условиях прерывистого резания, в частности, при фрезеровании, как при непрерывном резании.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ нанесения многослойного покрытия, раскрытый в описании к патенту на изобретение RU 2269604 С1, 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 недостаточной твердостью, 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. Наличие в покрытии верхнего слоя, обладающего высокой твердостью, способствует снижению интенсивности износа РИ с многослойным покрытием. Для повышения прочности сцепления покрытия с инструментальной основой оно должно иметь в своем составе нижний слой с повышенными адгезионными свойствами. Кроме того, увеличение твердости нижнего слоя покрытия также способствует дополнительному снижению интенсивности износа РИ с многослойным покрытием. Повышение прочности сцепления слоев обеспечивается за счет нанесения промежуточного слоя из элементов верхнего и нижнего слоев. Этот слой обладает высоким химическим сродством с другими слоями, высокой твердостью. Промежуточный слой также способствует повышению трещиностойкости за счет появления дополнительных границ между слоями.

Технический результат - повышение работоспособности РИ.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что наносят нижний слой из нитрида или карбонитрида соединения титана, циркония и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 84,0-90,0, цирконий 4,0-6,0, ниобий 6,0-10,0; промежуточный - из нитрида или карбонитрида соединения титана, циркония и ниобия при их соотношении, мас.%: титан 74,0-82,0, цирконий 12,0-16,0, ниобий 6,0-10,0; верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана и циркония при их соотношении, мас.%: титан 89,0-92,0, цирконий 8,0-11,0, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и циркония и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и ниобия и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и третьего катодов, промежуточный слой - с использованием второго и третьего катодов, верхний слой - с использованием первого и второго катодов.

Такая структура покрытия позволяет получить высокую прочность сцепления с основой из-за наличия в покрытии нижнего слоя, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой. При этом слои обладают высокой твердостью из-за дополнительного легирования материала слоев покрытий и наличия 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. Кроме того, из-за недостаточной прочности сцепления с инструментальной основой и слоев внутри многослойного покрытия возможно разрушение последнего в результате адгезионно-усталостных явлений на контактных площадках. В этих условиях покрытие должно иметь слоистую структуру для торможения трещин. Нижний слой покрытия должен обладать высокой адгезией с инструментальным материалом. 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 с соотношением слоев, соответствующим оптимальному значению, указанному в известном способе, 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. Используются расположенные противоположно друг другу первый и второй составные катоды из титана и циркония и третий составной катод из титана и ниобия, расположенный между ними. Камеру откачивают до давления 6,65·10^-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают один катод и при токе дуги 100 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580ºС. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и подаче реакционного газа-азота (или смеси азота и ацетилена) включают первый (из титана и циркония) и третий (из титана и ниобия) катоды и осаждают нижний слой покрытия TiZrNbN (или TiZrNbCN) толщиной 2,0 мкм. Промежуточный слой покрытия TiZrNbN (или TiZrNbCN) толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и включенных втором (из титана и циркония) и третьем (из титана и ниобия) катодах и подаче реакционного газа-азота (или смеси азота и ацетилена). Верхний слой покрытия TiZrN (или TiZrCN) толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А, включенных первом (из титана и циркония) и втором (из титана и циркония) катодах и подаче реакционного газа-азота (или смеси азота и ацетилена). 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.

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 слоев покрытия (соотношение металлических компонентов), мас.%	Микротвердость, ГПа	Стойкость, мин	Примечание
1 слой	2 слой	3 слой
Ti	Nb	Zr	Ti	Nb	Zr	Ti	Zr
TiN	-	29,2	45	Аналог
TiZrMo-TiZrMoN-TiZrN	90,25	4,75*	5	81,25	4,75*	14	90,5	9,5	37,7	241	Прототип
TiZrNbN-TiZrNbN-TiZrN	88	8	4	80	8	12	92	8	38,4	270
89	6	5	80	6	14	90,5	9,5	38,6	281
87	8	5	78	8	14	90,5	9,5	38,8	288
85	10	5	76	10	14	90,5	9,5	38,5	283
86	8	6	76	8	16	89	11	38,1	269
TiZrNbCN-TiZrNbCN-TiZrCN	88	8	4	80	8	12	92	8	43,1	312
89	6	5	80	6	14	90,5	9,5	44,7	321
87	8	5	78	8	14	90,5	9,5	45,6	329
85	10	5	76	10	14	90,5	9,5	44,5	320
86	8	6	76	8	16	89	11	43,6	314
Прим.: * - содержание молибдена, мас.%

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 1,12-1,37 раза.