Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия. Наносят нижний слой из нитрида или карбонитрида соединения титана, циркония и кремния при их соотношении, мас.%: титан 93,15-95,35, цирконий 4,0-6,0, кремний 0,65-0,85. Затем наносят промежуточный слой из нитрида или карбонитрида соединения титана, циркония и кремния при их соотношении, мас.%: титан 83,15-87,35, цирконий 12,0-16,0, кремний 0,65-0,85 и верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана и циркония при их соотношении, мас.%: титан 89,0-92,0, цирконий 8,0-11,0. 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 из сплава титана и кремния и располагают между ними. 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. Повышается работоспособность режущего инструмента. 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-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 2278905 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 кремния при их соотношении, мас.%: титан 93,15-95,35, цирконий 4,0-6,0, кремний 0,65-0,85; промежуточный - из нитрида или карбонитрида соединения титана, циркония и кремния при их соотношении, мас.%: титан 83,15-87,35, цирконий 12,0-16,0, кремний 0,65-0,85; 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 из сплава титана и кремния 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 4,7×12×12 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 катод из сплава титана и кремния, 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 560-580°С. 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 кремния) катоды и осаждают нижний слой покрытия TiZrSiN (или TiZrSiCN) толщиной 2,0 мкм. Промежуточный слой покрытия TiZrSiN (или TiZrSiCN) 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 кремния) 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), % мае.	Микротвер дость, ГПа	Стойкость, мин	Примеча ние
	1 слой				2 слой	3 слой
Ti	Si	Zr	Ti	Si	Zr	Ti	Zr
TiN	-	29,2	45	Аналог
TiZrCr-TiZrCrN-TiZrN	85	10*	5	76	10*	14	90,5	9,5	37,8	248	Прототип
TiZrSiN-TiZrSiN-TiZrN	95,25	0,75	4	87,25	0,75	12	92	8	38,6	282
	94,35	0,65	5	85,35	0,65	14	90,5	9,5	39,1	290
	94,25	0,75	5	85,25	0,75	14	90,5	9,5	39,2	297
	94,15	0,85	5	85,15	0,85	14	90,5	9,5	39,0	292
93,25	0,75	6	83,25	0,75	16	89	11	38,7	280
TiZrSiCN-TiZrSiCN-TiZrCN	95,25	0,75	4	87,25	0,75	12	92	8	44,2	321
	94,35	0,65	5	85,35	0,65	14	90,5	9,5	44,6	332
	94,25	0,75	5	85,25	0,75	14	90,5	9,5	45,3	343
	94,15	0,85	5	85,15	0,85	14	90,5	9,5	44,6	335
93,25	0,75	6	83,25	0,75	16	89	11	43,9	324
* - указано содержание хрома во втором (промежуточном) и верхнем (третьем) слоях покрытия

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 1,14-1,38 раза.

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 кремния при их соотношении, мас.%: титан 93,15-95,35, цирконий 4,0-6,0, кремний 0,65-0,85, промежуточный - из нитрида или карбонитрида соединения титана, циркония и кремния при их соотношении, мас.%: титан 83,15-87,35, цирконий 12,0-16,0, кремний 0,65-0,85, 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 из сплава титана и кремния 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.