Режущий инструмент с многослойным покрытием

Изобретение относится к износостойким покрытиям на режущем инструменте и может быть использовано в металлообработке. В предложенном инструменте, содержащем инструментальную основу из твердого сплава и износостойкое ионно-плазменное покрытие, состоящее из нижнего, промежуточного и верхнего слоев, согласно изобретению нижний и верхний слои толщиной 2 мкм выполнены из нитрида титана и циркония при соотношении металлических компонентов, мас.%: титан 47-53, цирконий 53-47, а промежуточный - из нитрида титана, при этом общая толщина покрытия составляет 6 мкм. Обеспечивается повышение работоспособности режущего инструмента, высокая прочность сцепления и адгезия слоев с основой. 1 табл.

 

Изобретение относится к области нанесения покрытий, в частности к нанесению покрытий испарением и конденсацией в вакууме, и может быть использовано в инструментальном производстве для получения износостойких покрытий на режущем инструменте.

Известен режущий инструмент с износостойким ионно-плазменным покрытием TiN, содержащим один слой толщиной 3-7 мкм (см. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. С.252).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного режущего инструмента с покрытием, относится то, что в известном режущем инструменте с покрытием наносимое однослойное покрытие в пределах одного слоя имеет постоянный химический состав и, как следствие этого, неизменяемые физико-механические свойства. В то же время при резании имеют место адгезионно-усталостные, коррозионно-окислительные и диффузионные процессы изнашивания, а также процессы разрушения в результате трещинообразования.

Наиболее близким режущим инструментом с покрытием того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является режущий инструмент с многослойным покрытием, содержащий инструментальную основу из твердого сплава и нанесенное на нее многослойное износостойкое ионно-плазменное покрытие, состоящее из внешнего слоя нитрида титана и внутреннего слоя карбонитрида титана (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 режущего инструмента с многослойным покрытием, принятого за прототип, относится то, что в известном режущем инструменте с многослойным покрытием недостаточна трещиностойкость покрытия и прочность сцепления его с твердосплавной основой и слоев между собой, в результате чего при прерывистом резании режущий инструмент быстро разрушается в результате процессов трещинообразования в его поверхностных слоях и покрытии и, соответственно, снижается стойкость режущего инструмента при его эксплуатации.

Сущность изобретения заключается в следующем. Наносимое на инструментальную основу из твердого сплава износостойкое ионно-плазменное покрытие состоит из нижнего, промежуточного и верхнего слоев, отличающееся тем, что нижний и верхний слои толщиной 2 мкм выполнены из нитрида титана и циркония при соотношении металлических компонентов, мас.%: титан 47-53, цирконий 53-47, а промежуточный - из нитрида титана, при этом общая толщина покрытия составляет 6 мкм.

Технический результат - повышение стойкости режущего инструмента. Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что режущий инструмент с многослойным покрытием содержит инструментальную основу из твердого сплава и нанесенное на нее многослойное износостойкое ионно-плазменное покрытие, состоящее из нижнего и верхнего слоев нитрида титана и циркония и промежуточного слоя нитрида титана. При этом главная особенность заключается в том, что применяемый в качестве верхнего и нижнего слоев сложный нитрид титана и циркония при указанном содержании компонентов обладает высокими твердостью и износостойкостью, что важно для верхнего слоя покрытия, и высокими прочностью сцепления с инструментальной основой и трещиностойкостью, что важно для нижнего слоя. Для повышения трещиностойкости многослойного покрытия в целом между верхним и нижним слоями нитрида титана и циркония наносят более мягкий промежуточный слой нитрида титана. Чередование слоев различной твердости способствует эффективному торможению трещин, возникающих в процессе прерывистого резания.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен режущий инструмент с многослойным покрытием.

Режущий инструмент с многослойным покрытием содержит инструментальную основу 1 из твердого сплава и нанесенное на нее износостойкое ионно-плазменное покрытие 2. Покрытие 2 состоит из нижнего 3, промежуточного 4 и верхнего слоев 5, отличающееся тем, что нижний и верхний слои толщиной 2 мкм выполнены из нитрида титана и циркония при соотношении металлических компонентов, в мас.%: титан 47-53, цирконий 53-47, а промежуточный - из нитрида титана, при этом общая толщина покрытия составляет 6 мкм.

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 слоя TiN использовали титановый сплав ВТ 1-0. При нанесении слоя TiZrN в качестве материала двух катодов использовался сплав ВТ 1-0, а в качестве материала третьего катода - сплав циркония Э-110. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки. Слой TiN осаждали в среде реакционного газа - азота при напряжении на подложке 140 В. Слой TiZrN осаждали в среде азота при напряжении на подложке 140 В. Ток фокусирующих катушек при конденсации TiN и TiZrN составляет 0,3 А.

Ниже приведен пример нанесения покрытия TiZrN-TiN-TiZrN.

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. В качестве катодов испаряемого металла используют титановый сплав марки ВТ 1-0 и циркониевый сплав Э-110. 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, включают три испарителя, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм (слой TiZrN) в течение 12 мин. Затем при напряжении 140 В, токе фокусирующих катушек 0,3 А и выключенном испарителе из циркония осаждают второй слой покрытия (TiN) толщиной 2,0 мкм в течение 12 мин. Затем при напряжении 140 В, токе фокусирующих катушек 0,3 А осаждают третий слой покрытия (TiZrN) толщиной 2,0 мкм в течение 12 мин. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Для подтверждения высоких свойств инструмента с предлагаемым покрытием проводили следующие исследования.

Прочность сцепления покрытия с инструментальной основой оценивали методом алмазного индентирования на твердомере ТК-2М. В результате на образце с покрытием получали лунку от индентора с отслоением покрытия вокруг нее. По коэффициенту отслоения К₀, определяемому как соотношение площади отслоения и лунки, судили о прочности сцепления покрытия и основы, то есть чем ниже К₀, тем выше прочность сцепления.

Трещиностойкость оценивали методом алмазного индентирования на твердомере ТК-2М по коэффициенту трещиностойкости К_ТР, который определяли как отношение площади отслоения покрытия к площади, занимаемой радиальными трещинами. Соответственно, чем ниже коэффициент К_ТР, тем выше трещиностойкость покрытия.

Прочность сцепления слоев оценивали методом алмазного индентирования на твердомере ТК-2М по коэффициенту сцепления слоев К_СС, который определяли как отношение видимой площади отслоения слоя ко всей площади отслоения. Снижение коэффициента К_СС свидетельствует об увеличении прочности сцепления слоев.

Стойкостные испытания проводили на вертикально-фрезерном станке модели 6Р12 торцевыми фрезами диаметром 125 мм при обработке конструкционной стали 5ХНМ. 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 табл.1 данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше износостойкости пластин, обработанных по способу-прототипу, в 1,6-2,0 раза. Данный факт объясняется тем, что предлагаемое многослойное покрытие обладает высокими механическими свойствами (прочностью сцепления с инструментальной основой и между слоями, трещиностойкостью) по сравнению аналогом и прототипом.

Таблица 1 Результаты испытаний РИ с покрытием
№	Покрытие	Механические свойства	Коэффициент повышения стойкости КТ 1
пп.	К0	КТР	КСС
1	TIN (аналог)	1,72	0,78	-	1
2	TiCN-TiN (прототип)	1,16	0,39	0,312	1,9/2,32
3	TiZrN-TiN-TiZrN	0,22	0,25	0,101	3,0/4,62
Примечания: 1. КТ - коэффициент повышения периода стойкости режущего инструмента по сравнению с инструментом с покрытием TiN. 2. В числителе - для режима резания с v=250 м/мин, Sz=0,4 мм/зуб; в знаменателе - v=150 м/мин, sz=0,25 мм/зуб.

Режущий инструмент с многослойным покрытием, содержащий инструментальную основу из твердого сплава и износостойкое ионно-плазменное покрытие, состоящее из нижнего, промежуточного и верхнего слоев, отличающийся тем, что нижний и верхний слои толщиной 2 мкм выполнены из нитрида титана и циркония при соотношении металлических компонентов, мас.%: титан 47-53, цирконий 53-47, а промежуточный - из нитрида титана, при этом общая толщина покрытия составляет 6 мкм.