Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента

Изобретение относится к нанесению износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение двухслойного покрытия. В качестве нижнего слоя наносят нитрид титана, алюминия и кремния, в котором содержание кремния составляет 0,24-0,26%. В качестве верхнего слоя наносят нитрид титана, алюминия и кремния, содержащий 0,8-0,83% кремния. Нанесение покрытия осуществляют с использованием трех катодов, расположенных в горизонтальной плоскости, из которых два противоположных содержат титан и алюминий, а расположенный между ними катод содержит титан и кремний. При нанесении нижнего слоя используют все три катода. Верхний слой наносят с использованием катода, содержащего титан и кремний, и одного катода, содержащего титан и алюминий. Повышают работоспособность режущего инструмента и качество его обработки. 1 табл.

 

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

Известен способ получения износостойкого 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, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида титана TiN и верхнего слоя нитрида титана-циркония TiZrN (см. Свидетельство на полезную модель RU 27089 U1 МПК 7 С23С 14/00. - 10.01.2003. - Бюл. №1), 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, имеющие низкие микротвердость, прочность сцепления друг с другом, износостойкость и стойкость к диффузионному и коррозионно-окислительному износу. 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 износа РИ является разупрочнение в результате действия диффузионных и коррозионно-окислительных процессов, а также образование микротрещин. Одним из путей повышения стойкости и работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа на основе сложнолегированных материалов. Наличие в покрытии сложнолегированных слоев, обладающих высокой термодинамической стабильностью, позволяет снизить интенсивность физико-химических процессов износа покрытия и повысить стойкость РИ. Для повышения прочности сцепления слоев друг с другом целесообразно включать в их состав различные элементы.

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 двухслойное покрытие. Особенность заявляемого способа заключается в том, что в нижнем слое в нитриде титана, алюминия и кремния содержание кремния составляет 0,24-0,26%, а в качестве верхнего слоя наносят нитрид титана, алюминия и кремния, содержащий 0,8-0,83% кремния, при этом нанесение покрытия осуществляют с применением трех катодов, расположенных в горизонтальной плоскости, из которых два противоположных содержат титан и алюминий, а расположенный между ними катод содержит титан и кремний, причем при нанесении нижнего слоя используют все три катода, а верхний слой наносят с использованием катода, содержащего титан и кремний, и одного катода, содержащего титан и алюминий. Нижний слой обладает повышенной прочностью сцепления с инструментальной основой, а верхний - повышенной микротвердостью и износостойкостью. При этом оба слоя состоят из химически близких материалов, что повышает прочность их связи.

Компоновка установки для нанесения покрытия включает два составных катода, содержащих корпус из алюминиевого сплава и вставку из титана ВТ1-0, расположенные напротив друг друга, и один составной катод, содержащий сплав титана и кремния, расположенный между первыми двумя катодами. При осаждении нижнего слоя используются все три катода с целью получения слоя TiAlSiN, содержащего 0,24-0,26% кремния, а при осаждении верхнего слоя один катод, содержащий алюминий, отключают. Использование в качестве материалов слоев сложных нитридов (TiAlSiN) обеспечивает высокую стойкость к окислительному и диффузионному износу, а также высокую износостойкость, а применение в качестве материалов обоих слоев многокомпонентных материалов способствует повышению прочности связи слоев покрытия.

Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе резания РИ работает в условиях окислительного и диффузионного износа, а также воздействия адгезионно-усталостных процессов и трещин. Для снижения интенсивности процессов износа и разрушения покрытия и самого инструмента наиболее эффективны покрытия сложного состава, а в условиях трещинообразования еще большую эффективность показывают многослойные покрытия со слоями сложного состава. При этом увеличение количества легирующих элементов в составе покрытия приводит к росту его твердости и износостойкости, а также - термодинамической устойчивости. Поэтому целесообразно применение двухслойного покрытия, в котором верхний слой должен обладать наивысшими износо- и трещиностойкостью, а нижний в первую очередь должен обеспечивать высокую прочность сцепления с инструментальной основой. Для получения высокой прочности сцепления слоев в их состав входят одинаковые химические элементы. Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанных в формуле изобретения толщин слоев, 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. Покрытия наносили на твердосплавные пластины в вакуумной камере установки «Булат-6», снабженной тремя вакуумно-дуговыми испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. В качестве катодов испаряемого металла при нанесении верхнего слоя использовали один составной катод, содержащий титан и алюминий, а также один составной катод, содержащий сплав титана и кремния. При нанесении нижнего слоя используют два катода, содержащих титан и алюминий, и один составной катод, содержащий сплав титана и кремния. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки.

Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа (покрытие TiAlSiN-TiAlSiN 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. 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 снижают отрицательное напряжение до 140 В, ток катушек до 0,3 А, включают три испарителя (катода) - два, содержащих титан и алюминий, и один, содержащий титан и кремний, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм в течение 12 мин при давлении газа 8·10^-4 Па. Затем при напряжении до 140 В, токе фокусирующих катушек до 0,3 А выключают третий катод (содержащий титан и алюминий). В камеру подается реакционный газ (давление 4·10^-3 Па) - азот и осаждают второй слой покрытия толщиной 4,0 мкм 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 токарно-винторезном станке 16К20 при обработке конструкционной стали 30ХГСА. 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 таблице данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше стойкости пластин, обработанных по способу-прототипу, примерно в 2 раза.

Результаты испытаний РИ с покрытием
№ пп	Материал покрытия	Толщина слоев покрытия (нижний-верхний), мкм	Нμ, ГПа	К0	Стойкость, мин	Примечание
1	2	3	4	5	6	7
Обрабатываемый материал - 30ХГСА, V = 200 м/мин, S = 0,3 мм/об, t = 1,5 мм
1	TiN	6	21,2	0,70	29	Аналог
2	TiN-TiZrN	2-4	32,0	0,55	62	Прототип
3	TiAlSiN-TiAlSiN	2-4	35,9	0,34	129	-
1. Нμ - микротвердость, ГПа (по Виккерсу). 2. К0 - коэффициент отслоения, уменьшение величины которого свидетельствует о росте прочности сцепления с инструментальной основой.

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение двухслойного покрытия, в качестве нижнего слоя которого наносят нитрид титана, алюминия и кремния, отличающийся тем, что в нижнем слое в нитриде титана, алюминия и кремния содержание кремния составляет 0,24-0,26%, а в качестве верхнего слоя наносят нитрид титана, алюминия и кремния, содержащий 0,8-0,83% кремния, при этом нанесение покрытия осуществляют с применением трех катодов, расположенных в горизонтальной плоскости, из которых два противоположных содержат титан и алюминий, а расположенный между ними катод содержит титан и кремний, причем при нанесении нижнего слоя используют все три катода, а верхний слой наносят с использованием катода, содержащего титан и кремний, и одного катода, содержащего титан и алюминий.