Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. В предложенном способе, включающем вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, согласно изобретению наносят нижний слой из соединения титана и металла, легированного кремнием, верхний слой из нитрида или карбонитрида титана и металла и промежуточный - из материала верхнего слоя, легированного кремнием, при этом в качестве металла используют молибден, или хром, или цирконий, или алюминий, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, два из которых располагают противоположно и выполняют составными из титана и используемого металла, а третий выполняют составным из титана и кремния. Обеспечивается повышение работоспособности режущего инструмента, высокая прочность сцепления и адгезия слоев с основой. 1 табл.

 

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

Известен способ повышения стойкости режущего инструмента, при котором на его поверхность вакуумно-дуговым методом наносят износостойкое 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. 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 повышения стойкости режущего инструмента, включающий нанесение на инструментальную основу из твердого сплава многослойного износостойкого ионо-плазменного покрытия, состоящего из внешнего слоя нитрида титана TiN толщиной 4 мкм и нижнего слоя карбонитрида титана TiCN толщиной 2 мкм (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 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 режущего инструмента. Основной причиной разрушения покрытия является возникновение трещин из-за деформации режущего клина и адгезионно-усталостных явлений, являющихся причиной появления выкрашиваний материала износостойкого покрытия на контактных площадках. Причем для многослойных покрытий наблюдается расслоение слоев под воздействием сходящей стружки. Одним из путей повышения стойкости и, как следствие, работоспособности режущего инструмента с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа со слоями с различными физико-механическими свойствами, что позволяет создавать на пути трещин преграды в виде границ между слоями. Наличие в покрытии промежуточного слоя, обладающего высокими остаточными сжимающими напряжениями, дополнительно способствует увеличению трещиностойкости покрытия. Для повышения прочности сцепления покрытия с инструментальной основой оно должно иметь в своем составе нижний слой с повышенными адгезионными свойствами. Повышение прочности сцепления слоев обеспечивается за счет их химического сродства друг с другом.

Технический результат - повышение работоспособности режущего инструмента.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в качестве нижнего слоя покрытия наносят соединение титана и металла, легированное кремнием; в качестве верхнего - нитрид или карбонитрид титана и металла; в качестве промежуточного - такой же материал, как и материал верхнего слоя, но легированный кремнием. Особенность заявляемого способа заключается в том, что в качестве нижнего слоя покрытия наносят соединение титана и металла, легированное кремнием; в качестве верхнего - нитрид или карбонитрид титана и металла; в качестве промежуточного - такой же материал, как и материал верхнего слоя, но легированный кремнием. В качестве металла Me используют молибден, хром, цирконий, алюминий. Компоновка установки для нанесения покрытия TiMeSi-TiMeSiN-TiMeN (или TiMeSi-TiMeSiCN-TiMeCN) включает два составных катода из титана и металла и катод, содержащий титан и кремний. Такая структура покрытия позволяет получить высокую прочность сцепления с основой нижнего слоя, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой. Введение в нижний слой в качестве легирующего элемента кремния способствует повышению его прочностных свойств. При этом промежуточный слой обладает высокими сжимающими напряжениями, необходимыми для торможения трещин. Наличие между верхним и нижним слоями переходного слоя, включающего компоненты верхнего и нижнего слоев, повышает прочность связи слоев в покрытии. Переходный слой также способствует более плавному изменению механических свойств покрытия от нижнего слоя к верхнему. Увеличению трещиностойкости способствует слоистая структура покрытия, благодаря которой трещины тормозятся на границах слоев.

Сущность изобретения заключается в следующем. В покрытии при прерывистом 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 с участками разной твердости для торможения трещин. Нижний слой покрытия должен обладать высокой адгезией с инструментальным материалом. Промежуточный слой должен обладать высоким уровнем остаточных сжимающих напряжений для повышения трещиностойкости. При этом верхний и нижний слои многослойного покрытия должны иметь высокую прочность связи друг с другом, что обеспечивается введением промежуточного слоя, содержащего компоненты верхнего и нижнего слоев.

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.

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 испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. Используются два противоположных составных катода из титана и металла и составной катод из титана и кремния. 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 160 В, токе катушек 0,3 А, включают все три испарителя и осаждают покрытие TiMeSi толщиной 2,0 мкм. Второй слой TiMeSiN (или TiMeSiCN) толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А, подаче азота (или смеси азота и ацетилена) и включении всех трех испарителей. Третий слой TiMeN (или TiMeCN) толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А, включенных испарителях Ti-Me 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.

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.

Как видно из приведенных в таблице 1 данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше износостойкости пластин, обработанных по способу-прототипу в 2,1-2,6 раза.

Таблица 1
Результаты испытаний режущего инструмента 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=1,5 мм, В=20 мм.
1	TiN	6	-	-	45	Аналог
2	TiCN-TiN	2	4		110	Прототип
3	TiZrSi-TiZrSiN-TiZrN	2	2	2	251	-
4	TiZrSi-TiZrSiCN-TiZrCN	2	2	2	278	-
5	TiMoSi-TiMoSiN-TiMoN	2	2	2	231	-
6	TiMoSi-TiMoSiCN-TiMoCN	2	2	2	249	-
7	TiCrSi-TiCrSiN-TiCrN	2	2	2	249	-
8	TiCrSi-TiCrSiCN-TiCrCN	2	2	2	266	-
9	TiAlSi-TiAlSiN-TiAIN	2	2	2	251	-
10	TiAlSi-TiAlSiCN-TiAlCN	2	2	2	283	-

1. Инструментальный материал - МК8.

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, отличающийся тем, что наносят нижний слой из соединения титана и металла, легированного кремнием, верхний слой из нитрида или карбонитрида титана и металла и промежуточный - из материала верхнего слоя, легированного кремнием, при этом в качестве металла используют молибден, или хром, или цирконий, или алюминий, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, два из которых располагают противоположно и выполняют составными из титана и используемого металла, а третий выполняют составным из титана и кремния.