Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. В предложенных способах, включающих вакуумно-плазменное нанесение слоев покрытия, согласно изобретению, нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, причем используют катод из титанового сплава, катод из циркониевого сплава и составной катод из титана и молибдена с содержанием молибдена 30% или составной катод из титана и молибдена с содержанием молибдена 30% и наносят при этом нижний слой из нитрида титана и циркония, верхний - из нитрида титана и молибдена и промежуточный - из тройного нитрида, содержащий компоненты верхнего и нижнего слоев или нижний - из карбонитрида титана и циркония, верхний - из карбонитрида титана и молибдена и промежуточный - из тройного карбонитрида, содержащего компоненты верхнего и нижнего слоев. Согласно другим вариантам изобретения нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, причем используют катод из титанового сплава, составной катод из титана и алюминия с содержанием титана 20% и составной катод из титана и молибдена с содержанием молибдена 30% или составной катод из титана и молибдена с содержанием молибдена 30% и наносят при этом нижний слой из нитрида титана и алюминия, верхний - из нитрида титана и молибдена и промежуточный - из тройного нитрида, содержащего компоненты верхнего и нижнего слоев или нижний - из карбонитрида титана и алюминия, верхний - из карбонитрида титана и молибдена и промежуточный - из тройного карбонитрида, содержащего компоненты верхнего и нижнего слоев. Обеспечивается повышение работоспособности режущего инструмента и качество обработки. 4 н.п. ф-лы, 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 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, 122 с.). К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе покрытия, обладающие хорошей адгезией к инструментальному материалу, имеют относительно низкую твердость и уровень сжимающих напряжений либо имеют высокую микротвердость, но недостаточную прочность сцепления с инструментальной основой. В результате этого покрытие легко подвергается абразивному 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 химическое нанесение многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида титана TiN и верхнего слоя карбонитрида титана TiCN (см. Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1986. - 192 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 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 работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа со слоями различной твердости, 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 слои с повышенными адгезионными свойствами. Для увеличения прочности адгезии покрытия и инструментальной основы можно использовать осаждение слоев при различной температуре конденсации. Повысить прочность сцепления слоев можно за счет обеспечения их сродства друг с другом.

Технический результат - повышение работоспособности РИ и качества обработки.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе на рабочие поверхности РИ вакуумно-дуговым методом наносится многослойное покрытие. Особенность заявляемого способа заключается в том, что в нижний слой покрытия наносят из нитрида или карбонитрида титана и циркония (или титана и алюминия), верхний - из нитрида или карбонитрида титана и молибдена и промежуточный - из тройного нитрида или карбонитрида, содержащий компоненты верхнего и нижнего слоев. Компоновка установки для нанесения покрытия TiZrN-TiZrMoN-TiMoN или TiZrCN-TiZrMoCN-TiMoCN включает один катод из титанового сплава ВТ1-0, один катод из циркониевого сплава Э-110 и один составной катод Ti-Mo с содержанием молибдена 30%. Компоновка установки для нанесения покрытия TiAlN-TiAlMoN-TiMoN или TiAlCN-TiAlMoCN-TiMoCN включает один катод из титанового сплава ВТ1-0, один составной катод Ti-Al с содержанием титана 20% и один составной катод Ti-Mo с содержанием молибдена 30%. Это позволяет получить высокую прочность сцепления с основой нижнего слоя, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой. При этом верхний слой обладает высокой 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. Увеличению трещиностойкости способствует слоистая структура покрытия, благодаря которой трещины тормозятся на границах слоев. Благодаря тому, что все слои имеют высокое химическое сродство, благодаря наличию в них компонентов соседних слоев, достигается высокая прочность их сцепления друг с другом.

Сущность изобретения заключается в следующем. В покрытии при резании происходят процессы трещинообразования, приводящие к его разрушению. Кроме этого, 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 и сжимающими напряжения 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.

Ниже приведены конкретные примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. Покрытие TiZrN-TiZrMoN-TiMoN толщиной 6 мкм.

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. Используется один испаритель из титанового сплава, один - из циркониевого и один составной катод Ti-Mo. 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 испарители из титанового и циркониевого сплавов, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие TiZrN толщиной 2,0 мкм. Второй слой TiZrMoN толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и всех включенных испарителях. Третий слой TiMoN толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и включенных испарителях из ВТ1-0 и Ti-Mo. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Пример 2. Покрытие TiAlCN-TiAlMoCN-TiMoCN толщиной 6 мкм.

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. Материал одного катода - титановый сплав ВТ1-0, второй катод - составной Ti-Al, третий катод - Ti-Mo. 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 0,4 А, включают испарители из титанового сплава и Ti-Al, подают в камеру смесь реакционных газов - азота и ацетилена с содержанием последнего 30% в смеси и осаждают покрытие TiAlCN толщиной 2,0 мкм. Второй слой TiAlMoCN толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,4 А и всех включенных испарителях. Третий слой TiMoCN толщиной 2 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,4 А и включенных испарителях из ВТ1-0 и Ti-Mo. 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 1К62 резцами со сменными многогранными пластинами из твердого сплава МК8 при обработке заготовок из 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.

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	5t	6	7
Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=200 м/мин, S=0,15 мм/мин, t=1,5 мм
1	TiN	6	-	-	45	Аналог
2	TiN-TiCN	2	2	2	131	Прототип
3	TiZrN-TiZrMoN-TiMoN	2	2	2	288	-
4	TiAlCN-TiAlMoCN-TiMoCN	2	2	2	393	-

Инструментальный материал - МК8

Как видно из приведенных в таблице 1 данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше износостойкости пластин, обработанных по способу-прототипу, в 2,2-3,0 раза.

1. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение слоев покрытия, отличающийся тем, что нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, причем используют катод из титанового сплава, катод из циркониевого сплава и составной катод из титана и молибдена с содержанием молибдена 30% и наносят при этом нижний слой из нитрида титана и циркония, верхний - из нитрида титана и молибдена и промежуточный - из тройного нитрида, содержащего компоненты верхнего и нижнего слоев.

2. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение слоев покрытия, отличающийся тем, что нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, причем используют катод из титанового сплава, катод из циркониевого сплава и составной катод из титана и молибдена с содержанием молибдена 30% и наносят при этом нижний слой из карбонитрида титана и циркония, верхний - из карбонитрида титана и молибдена и промежуточный - из тройного карбонитрида, содержащего компоненты верхнего и нижнего слоев.

3. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение слоев покрытия, отличающийся тем, что нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, причем используют катод из титанового сплава, составной катод из титана и алюминия с содержанием титана 20% и составной катод из титана и молибдена с содержанием молибдена 30% и наносят при этом нижний слой из нитрида титана и алюминия, верхний - из нитрида титана и молибдена и промежуточный - из тройного нитрида, содержащего компоненты верхнего и нижнего слоев.

4. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение слоев покрытия, отличающийся тем, что нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, причем используют катод из титанового сплава, составной катод из титана и алюминия с содержанием титана 20% и составной катод из титана и молибдена с содержанием молибдена 30% и наносят при этом нижний слой из карбонитрида титана и алюминия, верхний - из карбонитрида титана и молибдена и промежуточный - из тройного карбонитрида, содержащего компоненты верхнего и нижнего слоев.