Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент (РИ) и может быть использовано в металлообработке. На рабочие поверхности РИ вакуумно-плазменным методом наносят многослойное покрытие. Нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами. Используют два противоположно расположенных катода из титана и расположенный между ними составной катод из титана и алюминия. Нижний слой из нитрида титана наносят при температуре 620±10°С, а верхний - из нитрида титана и алюминия - при температуре 550±10°С. Технический результат - повышение работоспособности РИ и качества обработки. 1 табл.

 

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.

Известен способ получения 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 получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий химическое нанесение многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида титана TIN и верхнего слоя карбонитрида титана TiCN (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 низкой прочностью сцепления с инструментальной основой и друг с другом и низкой износостойкостью и 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. Основной причиной разрушения покрытия является возникновение трещин из-за деформации режущего клина и адгезионно-усталостных явлений, являющихся причиной появления выкрашиваний материала ИП на контактных площадках. Причем для многослойных покрытий наблюдается расслоение слоев под воздействием сходящей стружки. Одним из путей повышения стойкости и работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа, позволяющих распределить функции между слоями. Для повышения прочности сцепления покрытия с инструментальной основой оно должно иметь в своем составе слои с повышенными адгезионными свойствами. Для увеличения прочности адгезии покрытия и инструментальной основы можно использовать осаждение слоев при различной температуре конденсации. Повысить трещи нестойкость и износостойкость можно путем нанесения слоев с высокими остаточными сжимающими напряжениями и высокой микротвердостью.

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 нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, причем используют два противоположно расположенных катода из титана и расположенный между ними составной катод из титана и алюминиевого сплава, при этом нижний слой покрытия наносят из нитрида титана при температуре 620±10°С, а верхний - из нитрида титана и алюминия при температуре 550±10°С. Высокая температура конденсации нижнего слоя позволяет повысить прочность сцепления покрытия с инструментальной основой. В то же время верхний слой обладает высокой твердостью, остаточными сжимающими напряжениями и износостойкостью. Компоновка установки для нанесения покрытия TiN-TiAlN включает два противоположно расположенных катода из титана (сплав марки ВТ1-0) и один составной катод, имеющий корпус из алюминиевого сплава и титановую вставку.

Сущность изобретения заключается в следующем. В покрытии при резании происходят процессы трещинообразования, приводящие к его разрушению. Кроме этого, из-за недостаточной прочности сцепления с инструментальной основой возможно разрушение последнего в результате адгезионно-усталостных явлений на контактных площадках. 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. Верхний слой должен обладать высокой твердостью и сжимающими напряжениями для повышения износо- и трещиностойкости.

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, соответствующем 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 приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа.

Пример нанесения покрытия TiN-TiAlN 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. Используются два испарителя из титана, один - составной из титана и алюминия. 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 повышают отрицательное напряжение до 220 В, включают два испарителя из титана, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм (слой TiN) в течение 12 мин. Второй слой TiAlN толщиной 4 мкм наносят при отрицательном напряжении 140 В, токе катушек 0,3 А и всех включенных испарителях 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 токарном станке модели 1К62 резцами со сменными многогранными пластинами из твердого сплава МК8 при обработке заготовок из 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 1,9 раза.

Таблица 1 Результаты испытаний РИ с покрытием
№ пп	Материал покрытия	Толщина слоев покрытия, мкм	Стойкость, мин	Примечание
1 слой	2 слой
1	2	3	4	6	7
Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=200 м/мин, S=0,15 мм/мин, t=1,5 мм
1	TIN	6	-	45	Аналог
2	TiN-TiCN	2	4	131	Прототип
3	TiN-TiAlN	2	4	256	-
1. Инструментальный материал - МК8

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение слоев покрытия, отличающийся тем, что нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, причем используют два противоположно расположенных катода из титана и расположенный между ними составной катод из титана и алюминиевого сплава и наносят при этом нижний слой из нитрида титана при температуре 620°С±10°С, а верхний - из нитрида титана и алюминия при температуре 550°С±10°С.