Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента
Владельцы патента RU 2410465:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент (РИ) и может быть использовано в металлообработке. Технический результат - повышение работоспособности РИ и качества обработки. Вакуумно-плазменным методом наносят на рабочие поверхности режущего инструмента двухслойное покрытие. В качестве нижнего слоя наносят нитрид титана и молибдена, или нитрид титана и хрома, или нитрид титана и кремния, или нитрид титана и алюминия, или нитрид титана и железа, или нитрид титана и циркония при давлении азота в камере установки 7,5·10-4 Па и температуре 600°С. В качестве верхнего слоя наносят такой же нитрид, легированный ниобием при давлении азота в камере установки 4,3·10-3 Па и температуре 500°С. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.
Известен способ получения износостойкого покрытия для 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, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида титана и алюминия TiAIN и верхнего слоя нитрида титана, алюминия и циркония TiAIZrN (см. Патент на изобретение RU 2293794 C1, C23C 14/24, C23C 14/06. - 20.02.2007. - Бюл. №5), 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, имеющие низкие остаточные напряжения и высокую теплопроводность. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам трещинообразования и практически не препятствует проникновению тепла в глубь инструмента.
Повышение в последнее время стоимости металлорежущего инструмента и ужесточение требований к точности обрабатываемых деталей сделало еще более актуальной проблему повышения стойкости РИ. Основной причиной износа РИ является возникновение трещин в его режущей части, являющихся причиной появления сколов и выкрошиваний, связанных с усталостным разрушением и явлением ползучести режущего клина РИ. Ползучесть, в свою очередь, вызвана проникновением тепла, образующегося при резании и трении стружки о поверхности инструмента, в глубь инструмента. Одним из путей повышения стойкости и работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа. Наличие в покрытии слоев с определенными теплофизическими и механическими свойствами способно тормозить процессы образования и распространения трещин без снижения микротвердости, улучшить термонапряженное состояние РИ с покрытием и повысить стойкость РИ.
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 двухслойное покрытие. Особенность заявляемого способа заключается в том, что в качестве нижнего слоя при давлении азота в камере установки 7,5·10-4 Па и температуре 600°C наносят нитрид титана и молибдена, или нитрид титана и хрома, или нитрид титана и кремния, или нитрид титана и алюминия, или нитрид титана и железа, или нитрид титана и циркония, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 4,3·10-3 Па и температуре 500°C наносят такой же нитрид, легированный ниобием. Осаждение нижнего слоя покрытия при пониженном давлении газа и повышенной температуре позволяет получить более высокую прочность сцепления покрытия с инструментальной основой, а снижение температуры и увеличение давления газа при осаждении верхнего слоя позволяет увеличить его микротвердость и остаточные сжимающие напряжения. Компоновка установки для нанесения покрытия включает один составной катод с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 и вставкой из ниобия и два составных катода с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 и вставкой из хрома, или молибдена, или железа, или циркония или составной катод с алюминиевым корпусом и вставкой из ВТ1-0 или катод из сплава титана и кремния. При осаждении верхнего слоя используются все три катода с целью получения слоя TiCrNbN, или TiMoNbN, или TiFeNbN, или TiZrNbN, или TiAINbN, или TiSiNbN, а при осаждении нижнего слоя катод, содержащий ниобий, отключают. Использование в качестве материалов слоев сложных нитридов (TiCrNbN, или TiMoNbN, или TiFeNbN, или TiZrNbN, или TiAINbN, или TiSiNbN) с высокими остаточными сжимающими напряжениями способствует повышению трещиностойкости покрытия, кроме того, такие материалы имеют более низкую теплопроводность по сравнению, покрытиями типа TiN, TiCN, TiAIN. При этом в зависимости от области использования инструмента с покрытием его общая толщина может колебаться в пределах от 5 до 8 мкм, а доля нижнего слоя составлять 40-50% от общей толщины покрытия.
Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе резания РИ работает в условиях трещинообразования, а также воздействия высоких температур. Для снижения интенсивности процессов износа и разрушения покрытия и самого инструмента наиболее эффективны покрытия сложного состава, а в условиях трещинообразования еще большую эффективность показывают многослойные покрытия со слоями сложного состава. При этом увеличение количества легирующих элементов в составе покрытия приводит к росту его твердости и износостойкости, а также трещиностойкости. Однако при этом часто снижается прочность сцепления покрытия с инструментальной основой. В то же время повысить прочность сцепления покрытия с основой можно путем снижения давления реакционного газа при его конденсации и увеличения температуры конденсации, правда, при этом снижаются другие его эксплуатационные свойства (износостойкость и др.). Поэтому целесообразно применение двухслойного покрытия, в котором верхний слой должен обладать наивысшими износо- и трещиностойкостью, а нижний в первую очередь должен обеспечивать высокую прочность сцепления с инструментальной основой. В зависимости от условий резания толщина покрытия меняется от 5 до 8 мкм (меньшие значения - при прерывистом резании). При этом при уменьшении толщины покрытия доля нижнего слоя возрастает до 50%, чтобы обеспечить возможность получения сплошного слоя, способного полноценно выполнять свои функции (слои толщиной менее 1 мкм нефункциональны). Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанных в формуле изобретения толщин слоев, 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 двухслойное покрытие по предлагаемому способу. 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 нижнего слоя (TiCrN, или TiMoN, или TiFeN, или TiZrN, или TiAIN, или TiSiN) использовали два составных катода с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 со вставкой из хрома, или молибдена, или железа, или циркония, или составной катод с алюминиевым корпусом и вставкой из ВТ1-0, или катод из сплава титана и кремния. При нанесении верхнего слоя (TiCrNbN, или TiMoNbN, или TiFeNbN, или TiZrNbN, или TiAINbN, или TiSiNbN) используют указанные два катода плюс катод, содержащий корпус из титанового сплава ВТ1-0 со вставкой из ниобия и расположенный между первыми катодами. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки.
Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа (покрытие TiCrN-TiCrNbN 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. 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°C. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем снижают отрицательное напряжение до 150 В, ток катушек до 0,35 А, включают два противоположных испарителя (катода) - составных (с хромовой вставкой), подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной 3,0 мкм (слой TiCrN) в течение 18 мин при давлении газа 7,5·10-4 Па. Температура конденсации при этом 600°C.
Затем при напряжении до 120 В, токе фокусирующих катушек до 0,25 А включают третий катод (содержащий ниобий). В камеру подается реакционный газ (давление 4,3·10-3 Па) - азот и осаждают второй слой покрытия (TiCrNbN) толщиной 3,0 мкм в течение 18 мин. Температура конденсации при этом 500°C. 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 токарно-винторезном станке 16К20 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.
| Таблица 1 | ||||||
| Результаты испытаний РИ с покрытием | ||||||
| № пп | Материал покрытия | Толщина слоев покрытия (нижний-верхний), мкм | Hµ, ГПа | K0 | Стойкость, мин | Примечание |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=157 м/мин, S=0,25 мм/об, t=1 мм | ||||||
| 1 | TiN | 6 | 21,2 | 0,70 | 38 | Аналог |
| 2 | TiAIN-TiAIZrN | 2-4 | 36,1 | 0,33 | 117 | Прототип |
| 3 | TiCrN-TiCrNbN | 3-3 | 36,6 | 0,31 | 127 | В соответствии с формулой |
| 4 | TiZrN-TiZrNbN | 3-3 | 37,0 | 0,32 | 137 | |
| 5 | TiMoN-TiMoNbN | 3-3 | 36,9 | 0,32 | 132 | |
| 6 | TiAIN-TiAINbN | 3-3 | 37,0 | 0,30 | 138 | |
| 7 | TiSiN-TiSiNbN | 3-3 | 36,7 | 0,31 | 137 | |
| 8 | TiFeN-TiFeNbN | 3-3 | 36,3 | 0,29 | 125 | |
| 9 | TiCrN-TiCrNbN | 4-2 | 35,6 | 0,35 | 110 | Получены с отклонениями толщины |
| 10 | TiZrN-TiZrNbN | 4-2 | 36,0 | 0,37 | 112 | |
| 11 | TiMoN-TiMoNbN | 4-2 | 34,3 | 0,40 | 102 | |
| 12 | TiAIN-TiAINbN | 4-2 | 35,6 | 0,35 | 115 | |
| 13 | TiSiN-TiSiNbN | 4-2 | 36,0 | 0,37 | 114 | |
| 14 | TiFeN-TiFeNbN | 4-2 | 34,3 | 0,40 | 113 | |
| 15 | TiCrN-TiCrNbN | 3-3 | 36,2 | 0,38 | 118 | При одинаковом давлении |
| 16 | TiZrN-TiZrNbN | 3-3 | 35,8 | 0,36 | 120 | |
| 17 | TiMoN-TiMoNbN | 3-3 | 36,2 | 0,37 | 118 | |
| 18 | TiAIN-TiAINbN | 3-3 | 36,2 | 0,38 | 118 | |
| 19 | TiSiN-TiSiNbN | 3-3 | 35,8 | 0,36 | 120 | |
| 20 | TiFeN-TiFeNbN | 3-3 | 36,2 | 0,37 | 118 | |
| 21 | TiCrN-TiCrNbN | 3-3 | 36,0 | 0,41 | 110 | При одинаковой температуре |
| 22 | TiZrN-TiZrNbN | 3-3 | 36,0 | 0,42 | 113 | |
| 23 | TiMoN-TiMoNbN | 3-3 | 35,9 | 0,45 | 120 | |
| 24 | TiAIN-TiAINbN | 3-3 | 36,0 | 0,41 | 110 | |
| 25 | TiSiN-TiSiNbN | 3-3 | 36,0 | 0,42 | 113 | |
| 26 | TiFeN-TiFeNbN | 3-3 | 35,9 | 0,45 | 120 | |
| 1. Hµ - микротвердость, ГПа (по Виккерсу). | ||||||
| 2. K0 - коэффициент отслоения, уменьшение величины которого свидетельствует о росте прочности сцепления с инструментальной основой. |
Как видно из приведенных в табл. 1 данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше стойкости пластин, обработанных по способу-прототипу, на 7-17%. При этом пп.9-14 иллюстрируют, что при нарушении требований по назначению толщин слоев стойкость пластин снижается. В пп.15-20 показано, что в случае применения покрытий со слоями, осажденными при одинаковом давлении газа, стойкость также снижается. В пп.21-26 показано, что в случае применения покрытий со слоями, осажденными при одинаковой температуре конденсации, стойкость также снижается.
1. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение двухслойного покрытия, отличающийся тем, что в качестве нижнего слоя при давлении азота в камере установки 7,5·10-4 Па и температуре 600°С наносят нитрид титана и молибдена, или нитрид титана и хрома, или нитрид титана и кремния, или нитрид титана и алюминия, или нитрид титана и железа, или нитрид титана и циркония, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 4,3·10-3 Па и температуре 500°С наносят такой же нитрид, легированный ниобием.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в двухслойном покрытии наносят нижний слой толщиной 40-50% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет 5-8 мкм.
