Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение в среде реакционного газа сначала нижнего слоя из нитрида или карбонитрида соединения титана и алюминия при их соотношении, мас.%: титан 91,5-94,5, алюминий 5,5-8,5; затем промежуточного слоя из нитрида или карбонитрида соединения титана, алюминия и кремния при их соотношении, мас.%: титан 93,7-94,9, алюминий 4,0-6,0, кремний 1,1-1,3; и верхнего слоя из нитрида или карбонитрида соединения титана, алюминия и кремния при их соотношении, мас.%: титан 87,7-91,9, алюминий 7,0-11,0, кремний 1,1-1,3. Нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и алюминия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают из сплава титана и кремния и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и второго катодов, промежуточный слой - с использованием первого и третьего катодов, верхний слой - с использованием второго и третьего катодов. В результате реализации способа повышается работоспособность режущего инструмента. 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 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 нанесения многослойного покрытия, раскрытый в описании к патенту на полезную модель RU 54039 U1, принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного режущего инструмента с покрытием, принятого за прототип, относится то, что в известном способе многослойное покрытие обладает недостаточной твердостью, а следовательно, 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. Одним из путей повышения стойкости и, как следствие, работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа со слоями с различными физико-механическими свойствами. Наличие в покрытии верхнего слоя, обладающего высокой твердостью, способствует снижению интенсивности износа РИ с многослойным покрытием. Для повышения прочности сцепления покрытия с инструментальной основой оно должно иметь в своем составе нижний слой с повышенными адгезионными свойствами. Кроме того, увеличение твердости нижнего слоя покрытия также способствует дополнительному снижению интенсивности износа РИ с многослойным покрытием. Повышение прочности сцепления слоев обеспечивается за счет нанесения промежуточного слоя из элементов верхнего и нижнего слоев. Этот слой обладает высоким химическим сродством с другими слоями, высокой твердостью. Промежуточный слой также способствует повышению трещиностойкости за счет появления дополнительных границ между слоями.

Технический результат - повышение работоспособности РИ.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что наносят нижний слой из нитрида или карбонитрида соединения титана и алюминия при их соотношении, мас.%: титан 91,5-94,5, алюминий 5,5-8,5; промежуточный - из нитрида или карбонитрида соединения титана, алюминия и кремния при их соотношении, мас.%: титан 93,7-94,9, алюминий 4,0-6,0, кремний 1,1-1,3; верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана, алюминия и кремния при их соотношении, мас.%: титан 87,7-91,9, алюминий 7,0-11,0, кремний 1,1-1,3, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и алюминия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают из сплава титана и кремния и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и второго катодов, промежуточный слой - с использованием первого и третьего катодов, верхний слой - с использованием второго и третьего катодов.

Такая структура покрытия позволяет получить высокую прочность сцепления с основой из-за наличия в покрытии нижнего слоя, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой. При этом слои обладают высокой твердостью из-за дополнительного легирования материала слоев покрытий и наличию в их структуре микрослоистости, получаемой при нанесении покрытий по предлагаемой схеме расположения катодов.

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 для торможения трещин. Нижний слой покрытия должен обладать высокой адгезией с инструментальным материалом. Слои покрытия должны обладать высокой твердостью для повышения износо- и трещиностойкости. При этом слои многослойного покрытия должны иметь высокую прочность связи между собой, что обеспечивается их высоким сродством друг с другом из-за наличия общих элементов.

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 двухслойное покрытие по предлагаемому способу.

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 катодами, расположенными горизонтально в одной плоскости. Используются расположенные противоположно друг другу первый и второй составные катоды из титана и алюминия, и третий катод из сплава титана и кремния, расположенный между ними. Камеру откачивают до давления 6,65·10^-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают один катод и при токе дуги 100 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°C. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и подаче реакционного газа - азота (или смеси азота и ацетилена) включают первый (из титана и алюминия) и второй (из титана и алюминия) катоды и осаждают нижний слой покрытия TiAlN (или TiAlCN) толщиной 2,0 мкм. Промежуточный слой покрытия TiAlSiN (или TiAlSiCN) толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и включенных первом (из титана и алюминия) и третьем (из титана и кремния) катодах и подаче реакционного газа - азота (или смеси азота и ацетилена). Верхний слой покрытия TiAlSiN (или TiAlSiCN) толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А, включенных вторым (из титана и алюминия) и третьим (из титана и кремния) катодами, и подаче реакционного газа - азота (или смеси азота и ацетилена). Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Микротвердость покрытии определяли на микротвердомере «ПМТ-3» под нагрузкой 100 г.

Стойкостные испытания режущего инструмента проводили при продольном точении заготовок из стали 30ХГСА на токарном станке 16К20. Режимы резания: скорость резания V=180 м/мин, подача S=0,15 мм/об, глубина резания t=0,5 мм, обработка производилась без применения СОЖ. Испытывали твердосплавные пластины марки МК8, обработанные по известному и предлагаемому способам. Критерием износа служила фаска износа по задней поверхности шириной 0,4 мм.

В табл.1 приведены результаты испытаний РИ с полученными покрытиями.

Таблица 1
Результаты испытаний РИ с покрытием
Материал покрытия	Химический состав слоев покрытия (соотношение металлических компонентов), % мас.	Микротвер-дость, ГПа	Стойкость, мин	Примечание
	1 слой				2 слой	3 слой
Ti	Al	Ti	Si	Al	Ti	Si	Al
TiN	-	29,2	45	Аналог
TiAlN-TiAlSiN	93	7	-	89,8	1,2	9	38,8	149	Прототип
TiAlN-TiAlSiN-TiAlSiN	94,5	5,5	94,8	1,2	4	91,8	1,2	7	39,1	188
	93	7	93,9	1,1	5	89,9	1,1	9	39,5	197
	93	7	93,8	1,2	5	89,8	1,2	9	39,7	210
	93	7	93,7	1,3	5	89,7	1,3	9	39,4	205
91,5	8,5	92,8	1,2	6	87,8	1,2	11	39,0	196
TiAlCN-TiAlSiCN-TiAlSiCN	94,5	5,5	94,8	1,2	4	91,8	1,2	7	45,2	221
	93	7	93,9	1,1	5	89,9	1,1	9	45,7	234
	93	7	93,8	1,2	5	89,8	1,2	9	46,3	242
	93	7	93,7	1,3	5	89,7	1,3	9	45,9	235
91,5	8,5	92,8	1,2	6	87,8	1,2	11	45,4	224

Как видно из приведенных в таблице 1 данных, стойкость пластин с покрытиями, нанесенными по предлагаемому способу, выше стойкости пластин с покрытием, нанесенным по способу-прототипу в 1,3-1,6 раза.

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, отличающийся тем, что наносят нижний слой из нитрида или карбонитрида соединения титана и алюминия при их соотношении, мас.%: титан 91,5-94,5, алюминий 5,5-8,5; промежуточный - из нитрида или карбонитрида соединения титана, алюминия и кремния при их соотношении, мас.%: титан 93,7-94,9, алюминий 4,0-6,0, кремний 1,1-1,3; верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана, алюминия и кремния при их соотношении, мас.%: титан 87,7-91,9, алюминий 7,0-11,0, кремний 1,1-1,3, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и алюминия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают из сплава титана и кремния и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и второго катодов, промежуточный слой - с использованием первого и третьего катодов, верхний слой - с использованием второго и третьего катодов.