Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Технический результат - повышение работоспособности режущего инструмента и качества обработки. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента включает вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия. При этом в качестве всех его слоев наносят один и тот же нитрид или карбонитрид тугоплавкого металла или соединения металлов, а верхний и нижний слои осаждают при более высокой температуре конденсации по сравнению со средним. 1 табл.

 

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-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 повышения стойкости РИ, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида титана TiN, промежуточного слоя карбонитрида титана TiCN и верхнего слоя нитрида титана TiN (см. Смирнов М.Ю. Повышение работоспособности торцовых фрез путем совершенствования конструкций износостойких покрытий. Дисс...канд. техн. наук., - Ульяновск. - 2000. - 232 с.), 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 нитрида и карбонитрида титана, обладающие невысокими физико-механическими и физико-химическими свойствами (микротвердостью, прочностью сцепления с основой, трещиностойкостью и стойкостью к окислению), а также имеет низкую прочность сцепления с инструментальной основой и слоев друг с другом. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам износа и разрушения и быстро разрушается при прерывистом 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 при прерывистом резании является возникновение трещин в его режущей части, являющихся причиной появления сколов и выкрашиваний, связанных с усталостным разрушением в результате воздействия переменных теплосиловых нагрузок, из-за чередования рабочего и холостого ходов РИ. Одним из путей повышения стойкости и работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа со слоями различной твердости, что позволяет создавать на пути трещин преграды в виде границ между слоями. Еще одним фактором, сопровождающим прерывистое резание и приводящим к разрушению режущего клина, являются адгезионно-усталостные процессы, связанные с отделением застойной зоны (области стружки на участке пластических деформаций) от контактной площадки на передней поверхности. Это явление приводит к отслоению слоев покрытия друг от друга и разрушению поверхностных слоев РИ. Повысить прочность сцепления слоев можно за счет обеспечения их сродства друг с другом. Для увеличения прочности адгезии покрытия и инструментальной основы можно использовать осаждение слоев при различной температуре конденсации.

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 многослойное покрытие. Особенность заявляемого способа заключается в том, что в качестве всех слоев многослойного покрытия наносят один и тот же нитрид или карбонитрид тугоплавкого металла или соединения металлов, причем верхний и нижний слои осаждают при большей температуре конденсации по сравнению со средним. Компоновка установки для нанесения покрытия включает три одновременно работающих при нанесении всех слоев катода из осаждаемого материала в случае осаждения слоев на основе нитридов или карбонитридов одного металла. В том случае, когда осаждается нитрид или карбонитрид соединения металлов, в компоновке установки используются либо раздельные, либо составные катоды осаждаемых металлов.

Температура конденсации покрытия - это температура протекания процесса осаждения компонентов покрытия на подложку, которая идентична температуре подложки. Температура измеряется бесконтактным способом при помощи пирометра, а нагрев подложки до данной температуры осуществляется путем бомбардировки ее ионами осаждаемого металлического компонента покрытия (например, Ti). Технологически температура устанавливается напряжением, которое разгоняет ионы металла до соответствующих значений энергий, следовательно, чем выше напряжение, тем выше энергия ионов и выше температура.

Процесс нанесения покрытия состоит из двух основных стадий: ионной бомбардировки и конденсации покрытия. При ионной бомбардировке (которую еще называют ионной очисткой) производят термомеханическую активацию поверхности подложки и разогрев ее до начальной температуры. В нашем случае первоначально пластины разогревали до 560-580 градусов. Затем осуществляли процесс конденсации покрытия, при этом первый слой наносили при температуре 590-610 градусов (или 600±10) при напряжении 220 В, второй - при 340-360 градусов (350±10) при напряжении 10 В, третий - при 530-550 градусах (540±10) при напряжении 120 В. При этом верхний и нижний слои имеют меньшую микротвердость по сравнению с промежуточным. Соответственно в табл.1 примеры покрытий 3-5 нанесены по такой технологии.

Слои покрытия, осажденные при различной температуре конденсации, обладают различной твердостью, что способствует лучшему торможению трещин. Благодаря тому, что все слои имеют высокое химическое сродство, так как являются модификацией одного химического соединения, достигается высокая прочность их сцепления друг с другом.

В процессе прерывистого резания во время рабочего хода РИ работает в условиях всестороннего сжатия, что благополучно сказывается на работоспособности РИ. Во время холостого хода в поверхностных слоях РИ начинают действовать напряжения растяжения, возникающие в результате более интенсивного охлаждения поверхностных слоев инструментального материала по отношению к нижележащим слоям. Наличие растягивающих напряжений отрицательно сказывается на работоспособности РИ при прерывистом резании, так как они активизируют процесс трещинообразования. Также поверхностные слои РИ подвергаются разрушению при отделении застойной зоны, имеющей адгизионную связь с поверхностью РИ. При использовании РИ с покрытиями это приводит к их отслоению или расслоению многослойных покрытий по границам слоев. В этих условиях покрытие должно иметь слоистую структуру с участками разной твердости для торможения трещин. Нижний слой покрытия должен обладать высокой адгезией с инструментальным материалом. Причем слои многослойного покрытия должны иметь высокую прочность связи друг с другом.

На повышение периода стойкости инструментов с такими покрытиями влияют следующие факторы.

Во-первых, за счет нанесения каждого слоя при разной температуре образуется слоистая структура, способствующая росту трещиностойкости покрытий.

Во-вторых, нанесение нижнего слоя при повышенной температуре способствует росту адгезии и длительности сохранности покрытия на поверхностях инструмента.

В-третьих, благодаря тому, что все слои предлагаемых многослойных покрытий состоят из одних и тех же химических элементов, отмечается высокая прочность их связи и отсутствие расслоения покрытия.

В-четвертых, сочетание слоев «мягкий (при высокой температуре) - твердый (при низкой температуре) - мягкий (при высокой температуре)" наиболее благоприятно с точки зрения напряженного состояния в процессе роста трещин через границы покрытия.

Наиболее важным моментом в заявляемом способе получения многослойного покрытия является то, что он позволяет получать покрытие, которое сконструировано с учетом условий прерывистого резания. То есть такое покрытие имеет слоистую структуру со слоями различной твердости, при этом взаимное расположение слоев с точки зрения сочетания их твердости регламентировано в соответствии с условием обеспечения наиболее благоприятного напряженного состояния на границах слоев в покрытии. Кроме этого, согласно приведенным выше рассуждениям подобное покрытие имеет высокую прочность сцепления с инструментальной основой и между слоями. Именно совокупность всех этих факторов отличает заявляемое изобретение от существующих аналогов.

По вопросу о влиянии на температуру конденсации материала покрытия ответим, что практически все покрытия по стандартной технологии наносятся при близких значениях температур. При этом влияние на температуру конденсации оказывает не столько материал покрытия, сколько материал инструментальной основы. Так, на твердосплавный инструмент покрытия наносят обычно при температуре 560-580 градусов, на быстрорежущий - примерно 500 градусов, что определяется теплостойкостью быстрорежущей стали.

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, соответствующему оптимальному значению, указанному в известном способе, а также трехслойное покрытие по предлагаемому способу. Покрытия наносили на твердосплавные пластины в вакуумной камере установки «Булат -6Т», снабженной тремя вакуумно-дуговыми испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости.

Ниже приведены конкретные примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. Покрытие TiN-TiN-TiN 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. Материал всех катодов - титановый сплав ВТ1-0. 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 при отрицательном напряжении 220 В, токе катушек 0,3 А включают три испарителя, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие TiN толщиной 2,0 мкм. Затем при напряжении 10 В, токе фокусирующих катушек 0,3 А, включенных всех трех катодах в камеру подается реакционный газ - азот и осаждается второй слой покрытия TiN толщиной 2,0 мкм. Затем при всех включенных катодах при напряжении 120 В, токе фокусирующих катушек 0,3 А в камеру подается реакционный газ - азот и осаждают третий слой покрытия TiN толщиной 2,0 мкм. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Пример 2. Покрытие TiZrN-TiZrN-TiZrN 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. Материал двух противоположных катодов - титановый сплав ВТ1-0, между ними расположен катод из циркониевого сплава Э-110. 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 при отрицательном напряжении 220 В, токе катушек 0,3 А включают три испарителя, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие TiZrN толщиной 2,0 мкм. Затем при напряжении 10 В, токе фокусирующих катушек 0,3 А, включенных всех трех катодах в камеру подается реакционный газ - азот и осаждается второй слой покрытия TiZrN толщиной 2,0 мкм. Затем при всех включенных катодах, при напряжении 120 В, токе фокусирующих катушек 0,3 А в камеру подается реакционный газ - азот и осаждают третий слой покрытия TiZrN толщиной 2,0 мкм. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Пример 3. Покрытие TiCN-TiCN-TiCN 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. Материал всех катодов - титановый сплав ВТ1-0. 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 при отрицательном напряжении 220 В, токе катушек 0,4 А включают три испарителя, подают в камеру смесь реакционных газов - азота и ацетилена с содержанием последнего в смеси 30% и осаждают покрытие TiCN толщиной 2,0 мкм. Затем при напряжении 10 В, токе фокусирующих катушек 0,3 А, включенных всех трех катодах в камеру подают смесь реакционных газов - азота и ацетилена с содержанием последнего в смеси 30% и осаждается второй слой покрытия TiCN толщиной 2,0 мкм. Затем при всех включенных катодах при напряжении 120 В, токе фокусирующих катушек 0,3 А подают в камеру смесь реакционных газов - азота и ацетилена с содержанием последнего в смеси 30% и осаждают третий слой покрытия TiCN толщиной 2,0 мкм. 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 вертикально-фрезерном станке модели 6Р12 торцевыми фрезами диаметром 125 мм 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.

Как видно из приведенных в табл.1 данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше износостойкости пластин, обработанных по способу-прототипу в 1,2-2,2 раза.

Таблица 1 Результаты испытаний РИ с покрытием
№ пп	Материал покрытия	Толщина слоев покрытия, мкм	Стойкость, мин	Примечание
1 слой	2 слой	3 слой
1	2	3	4	5	6	7
Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=247 м/мин, S=0,4 мм/зуб,t=2 мм, В=20 мм
1	TiN	6	-	-	45	Аналог
2	TiN-TiCN-TiN	2	2	2	131	Прототип
3	TiN-TiN-TiN	2	2	2	157	-
4	TiZrN-TiZrN-TiZrN	2	2	2	288	-
5	TiCN-TiCN-TiCN	2	2	2	196	-

1. Инструментальный материал - МК8

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа получения износостойкого покрытия для РИ следующей совокупности условий:

- способ получения многослойного покрытия для РИ, воплощающий заявленный способ при его осуществлении, предназначен для использования в промышленности, а именно, для нанесения износостойких покрытий на РИ и может быть использован в металлообработке;

- для заявленного способа получения многослойного покрытия для РИ в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью известных до даты) приоритета средств и методов;

- способ получения многослойного покрытия для получения износостойкого покрытия для РИ, воплощающий заявленный способ при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, отличающийся тем, что в качестве всех его слоев наносят один и тот же нитрид или карбонитрид тугоплавкого металла или соединения металлов, причем верхний и нижний слои осаждают при более высокой температуре конденсации по сравнению со средним.