Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента включает вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия. При этом в качестве всех его слоев наносят карбонитрид титана-циркония TiZrCN с различным содержанием в слоях титана, циркония и углерода. Техническим результатом изобретения является повышение работоспособности режущего инструмента и качества обработки в процессе прерывистого резания. 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, что позволяет создавать на пути трещин преграды в виде границ между слоями, а также при использовании в качестве слоев материалов микрослоистой структуры. Кроме этого, для снижения тепловыделения, интенсифицирующего рост трещин, необходимо, чтобы верхние слои покрытия имели низкий коэффициент трения с обрабатываемым материалом. 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 материалы, обладающие высокой прочностью сцепления с инструментальными материалами. Также при резании с высокими скоростями резания интенсифицируются процессы окислительного износа, способствующие разупрочнению материала покрытия и инструментальной основы. Для увеличения стойкости покрытия к окислительному износу в качестве напыляемых материалов можно использовать сложные соединения тугоплавких металлов.

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 используют сложный карбонитрид титана-циркония TiZrCN с различным содержанием в слоях титана, циркония и углерода. Компоновка установки для нанесения покрытия включает один катод из циркониевого сплава Э-110, напротив него один катод из титанового сплава ВТ1-0 и между ними составной катод титана-циркония Ti-Zr, содержащий 70% титана и 30% циркония. При осаждении нижнего слоя используются два противоположных катода (титановый и циркониевый) с целью получения в слое TiZrCN содержания титана 50% и циркония 50% и подается смесь реакционных газов азота и ацетилена с содержанием последнего 50%. Материал TiZrCN такого состава имеет наивысшую прочность сцепления с основой. При осаждении промежуточного слоя используются все катоды и смесь реакционных газов с содержанием ацетилена 40%, что обеспечивает получение слоя TiZrCN с содержанием титана 22-28% и циркония 72-78%, обладающего высокой твердостью и низким коэффициентом трения с обрабатываемым материалом. Верхний слой TiZrCN осаждается также из всех трех катодов, но с содержанием ацетилена в смеси 20%, что также обеспечивает получение низкого коэффициента трения, и образуется вторая граница между слоями для торможения трещин. За счет того, что все слои наносятся из раздельных катодов при вращении, они имеют трещиностойкую микрослоистую структуру. Кроме этого материал TiZrCN обладает высокими остаточными сжимающими напряжениями, что также способствует торможению трещин. Использование в многослойном покрытии карбонитридов тугоплавких металлов снижает окислительный износ, а применение в качестве материалов слоев химически близких материалов способствует прочности их связи.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источников, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию \новизна\.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию \изобретательский уровень\ заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа повышения стойкости РИ. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. В частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:

- дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;

- замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

- исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;

- увеличение количества однотипных элементов, действий для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий;

- выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;

- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию \изобретательский уровень\.

Сущность изобретения заключается в следующем. 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. Кроме того, при обработке с высокой скоростью резания и большой шириной фрезерования интенсифицируются процессы окисления материала покрытия и нижележащей твердосплавной основы в результате периодического контакта термомеханически активированных площадок инструмента с воздухом, а также из-за проникновения кислорода вглубь РИ по трещинам и за счет диффузии. В этих условиях слои покрытия должны иметь высокие сжимающие напряжения и микрослоистую структуру для торможения трещин. Нижний слой покрытия должен обладать высокой адгезией с инструментальным материалом. Верхний слой должен обладать такими контактными характеристиками, чтобы снизить уровень контактных температур и амплитуду их колебаний за время рабочего и холостого хода, что приводит к снижению амплитуды колебаний напряжений, действующих на поверхности инструмента за время рабочего и холостого хода. Промежуточный слой должен препятствовать процессам распространения трещин и так же, как и верхний, иметь низкий коэффициент трения для снижения тепловыделения для продолжения эффективного функционирования покрытия при разрушении верхнего слоя. Слои многослойного покрытия должны иметь высокую прочность связи друг с другом и высокую стойкость к окислению при температурах процесса резания.

Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанной технологии получения, показали более низкие результаты. Изменение состава слоев также приводит к ухудшению свойств покрытия.

Для экспериментальной проверки заявленного способа было нанесено покрытие-прототип с соотношением слоев, соответствующим 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. В качестве катодов испаряемого металла при нанесении слоев TiN и TiCN использовали титановый сплав ВТ1-0. При нанесении слоев TiZrCN в качестве материала катодов использовался сплав ВТ1-0 и сплав циркония Э-110 и составной катод с содержанием титана и циркония соответственно 70 и 30%. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки. Слои TiZrCN осаждали в среде смеси реакционных газов - азота и ацетилена при напряжении на подложке 160 В. Ток фокусирующих катушек при конденсации TiZrCN составляет 0,4 А.

Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа.

Пример. Покрытие TiZrCN-TiZrCN-TiZrCN 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. Один испаритель из титанового сплава ВТ1-0 на расстоянии от центра установки 250 мм, напротив него - из циркониевого сплава Э-110 на расстоянии от центра 400 мм, между ними составной катод на расстоянии 250 мм. Камеру откачивают до давления 6,65·10^-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают один испаритель из ВТ1-0 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 160 В, токе катушек 0,4 А, включают два противостоящих испарителя (один титановый, один циркониевый), подают в камеру смесь реакционных газов - азота и ацетилена с содержанием последнего в смеси 50% и осаждают покрытие TiZrCN толщиной 2,0 мкм. Затем при напряжении 160 В, токе фокусирующих катушек 0,4 А включают все три катода. В камеру подается смесь реакционных газов - азота и ацетилена с содержанием последнего в смеси 40% и осаждается второй слой покрытия TiZrCN толщиной 2,0 мкм. Затем при всех включенных катодах при напряжении 160 В, токе фокусирующих катушек 0,4 А в камеру подают смесь реакционных газов - азота и ацетилена с содержанием последнего в смеси 20% и осаждают третий слой покрытия TiZrCN 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 2,4-2,9 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=157 м/мин, 8=0,25 мм/зуб, t=2 мм, В=20 мм
1	TiN	6	-	-	38	Аналог
2	TiN-TiCN-TiN	2	2	2	131	Прототип
3	TiZrCN-TiZrCN-TiZrCN	2	2	2	314	-
Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=247 м/мин, S=0,4 MM/зуб, t=2 мм, В=20 мм
5	TiN	6	-	-	45	Аналог
6	TiN-TiCN-TiN	2	2	2	131	Прототип
7	TiZrCN-TiZrCN-TZrCN	2	2	2	380	-

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 карбонитрид титана-циркония TiZrCN с различным содержанием в слоях титана, циркония и углерода.