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 слоев покрытия, где нижний слой наносят из соединения титана и металла, легированного железом, согласно изобретению наносят верхний слой из нитрида или карбонитрида титана и металла, а промежуточный - из материала верхнего слоя, легированного железом, при этом в качестве металла используют алюминий, или молибден, или хром, или цирконий, или кремний, 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 железа. 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-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 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 быстрорежущей стали и нанесенное на нее многослойное износостойкое покрытие, наносимое вакуумно-плазменным методом и состоящее из верхнего слоя нитрида титана TiN и нижнего слоя, включающего элемент материала покрытия - титан (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 титана и нитрида 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. 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 производят вакуумно-плазменное нанесение слоев покрытия, при этом нижний слой наносят из соединения титана и металла, легированного железом, отличающийся тем, что наносят верхний слой из нитрида или карбонитрида титана и металла, а промежуточный - из материала верхнего слоя, легированного железом, при этом в качестве металла используют алюминий, или молибден, или хром, или цирконий, или кремний, 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 железа.

Такая структура покрытия позволяет получить высокую прочность сцепления с основой нижнего слоя, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой, так как содержит элементы материалов как покрытия, так и инструментальной основы. Наличие между верхним и нижним слоями переходного слоя, включающего компоненты верхнего и нижнего слоев, повышает прочность связи слоев в покрытии. 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 высокой твердостью 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 неперетачиваемые пластины, изготовленные из быстрорежущей стали Р6М5К5, в вакуумной камере установки "Булат-6Т", снабженной тремя вакуумно-дуговыми испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости.

Нанесение предлагаемого покрытия осуществляется следующим образом. Пластины из быстрорежущей стали Р6М5К5 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 железа. 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 TiMeFe толщиной 2,0 мкм. Второй слой TiMeFeN (или TiMeFeCN) толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А, включенных испарителях Ti-Me и Ti-Fe и подаче реакционного газа - азота (или смеси азота и ацетилена). Третий слой TiMeN (или TiMeCN) толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А, подаче азота (или смеси азота и ацетилена) и включенных испарителях Ti-Me. 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 быстрорежущей стали Р6М5К5 при обработке заготовок из конструкционной стали З0ХГСА. Обработка производилась с применением СОЖ (5%-ный водный раствор эмульсола Укринол-1М). Испытывали пластины из быстрорежущей стали Р6М5К5, обработанные по известному и предлагаемому способам. Критерием износа служила фаска износа по задней поверхности шириной 0,4 мм.

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=55 м/мин, S=0,3 мм/мин, t=0,75 мм
1	TiN	6	-	-	22	Аналог
2	Ti - TiN	2	4	-	50	Прототип
3	TiAIFe - TiAIFeN - TiAIN	2	2	2	116	-
4	TiAIFe - TiAIFeCN - TiAICN	2	2	2	136	-
5	TiMoFe - TiMoFeN - TiMoN	2	2	2	118	-
6	TiMoFe - TiMoFeCN - TiMoCN	2	2	2	129	-
7	TiCrFe - TiCrFeN - TiCrN	2	2	2	113	-
8	TiCrFe - TiCrFeCN - TiCrCN	2	2	2	122	-
9	TiZrFe - TiZrFeN - TiZrN	2	2	2	120	-
10	TiZrFe - TiZrFeCN - TiZrCN	2	2	2	139	-
11	TiSiFe - TiSiFeN - TiSiN	2	2	2	129	-
12	TiSiFe - TiSiFeCN - TiSiCN	2	2	2	142	-
1. Инструментальный материал - Р6М5К5.

Как видно из приведенных в таблице 1 данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше износостойкости пластин, обработанных по способу-прототипу в 2,3-2,8 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;

- 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 слоев покрытия, при этом нижний слой наносят из соединения титана и металла, легированного железом, отличающийся тем, что наносят верхний слой из нитрида или карбонитрида титана и металла, а промежуточный - из материала верхнего слоя, легированного железом, при этом в качестве металла используют алюминий, или молибден, или хром, или цирконий, или кремний, 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 железа.