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 алюминием, промежуточный - из нитрида или карбонитрида титана и металла и верхний слой - из материала промежуточного слоя, легированного алюминием, при этом в качестве металла используют кремний или железо, или хром, или молибден, или цирконий, 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 алюминия. 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 (РИ), 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 покрытия имеют относительно низкие твердость и уровень сжимающих напряжений и недостаточную прочность сцепления с инструментальной основой. В результате этого покрытие в большей мере подвергается 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 нанесение многослойного износостойкого покрытия, содержащего инструментальную основу из твердого сплава и нанесенное на нее трехслойное износостойкое покрытие, наносимое методом ГТ ВНИИТС и состоящее из верхнего слоя нитрида титана TiN, промежуточного слоя карбонитрида титана TiCN и нижнего слоя карбида титана TiC (см. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993, с.252), 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 карбида, 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 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, как следствие, работоспособности РИ 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 верхнего слоя, обладающего высокими твердостью и 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 РИ.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в качестве нижнего слоя покрытия наносят соединение титана и металла, легированное алюминием; в качестве промежуточного - нитрид или карбонитрид титана и металла; в качестве верхнего - такой же материал, как и материал промежуточного слоя, но легированный алюминием. Особенность заявляемого способа заключается в том, что в качестве нижнего слоя покрытия наносят соединение титана и металла, легированное алюминием; в качестве промежуточного - нитрид или карбонитрид титана и металла; в качестве верхнего - такой же материал, как и материал промежуточного слоя, но легированный алюминием, причем технологическая компоновка установки для нанесения покрытия TiMeAl-TiMeN-TiMeAlN (или TiMeAl-TiMeCN-TiMeAlCN) включает два противоположных составных катода из титана и металла и расположенный между ними составной катод из титана и алюминия. В качестве металла Me используют кремний, железо, хром, молибден, цирконий. 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 алюминия способствует повышению его прочностных свойств. При этом верхний слой обладает высокими твердостью и 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.

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 работоспособности 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 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 с участками разной твердости для торможения трещин. Нижний слой покрытия должен обладать высокой адгезией с инструментальным материалом. Верхний слой должен обладать высокими твердостью и уровнем остаточных сжимающих напряжений для повышения износо- и трещиностойкости. При этом 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, 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.

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 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 при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А, включают все три испарителя и осаждают покрытие TiMeAl толщиной 2,0 мкм. Второй 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). Третий слой TiMeAlN (или TiMeAlCN) 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. 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 16К20 резцами со сменными многогранными пластинами из твердого сплава МК8 при обработке заготовок из 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 1 данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше износостойкости пластин, обработанных по способу-прототипу, в 2,2-2,7 раза.

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.

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 - 30ХГСА, V=180 м/мин, S=0,15 мм/мин, t=1,0 мм
1	TiN	6	-	-	45	Аналог
2	TiC-TiCN-TiN	2	2	2	131	Прототип
3	TiSiAl-TiSiN-TiSiAlN	2	2	2	322	-
4	TiSiAl-TiSiCN-TiSiAlCN	2	2	2	349	-
5	TiFeAl-TiFeN-TiFeAlN	2	2	2	282	-
6	TiFeAl-TiFeCN-TiFeAlCN	2	2	2	307	-
7	TiCrAl-TiCrN-TiCrAlN	2	2	.2	288	-
8	TiCrAl-TiCrCN-TiCrAlCN	2	2	2	318	-
9	TiMoAl-TiMoN-TiMoAlN	2	2	2	286	-
10	TiMoAl-TiMoCN-TiMoAlCN	2	2	2	312	-
11	TiZrAl-TiZrN-TiZrAlN	2	2	2	297	-
12	TiZrAl-TiZrCN-TiZrAlCN	2	2	2	326	-

1. Инструментальный материал - МК8:

- 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 наносят нижний слой из соединения титана и металла, легированного алюминием, промежуточный - из нитрида или карбонитрида титана и металла и верхний слой - из материала промежуточного слоя, легированного алюминием, при этом в качестве металла используют кремний, или железо, или хром, или молибден, или цирконий, 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 алюминия.