Режущий инструмент с многослойным износостойким покрытием

Изобретение относится к нанесению износостойких покрытий на режущий инструмент, в частности к нанесению покрытий распылением и конденсацией в вакууме на твердосплавный режущий инструмент, и может быть использовано во всех областях машиностроения, связанных с механической обработкой металлов, в том числе обработкой жаропрочных, нержавеющих сталей и титановых сплавов. Режущий инструмент с многослойным покрытием на рабочей части содержит инструментальную основу из твердого сплава и трехслойное износостойкое покрытие, при этом нижний адгезионный слой выполнен из нитрида титана, переходный слой - из нитрида алюминия, титана и кремния при их соотношении, мас.%: алюминий 19,56-21,39, титан 74,72-78,15, кремний 2,29-3,89 и основной наноструктурированный износостойкий слой - из нитрида алюминия, титана и кремния при их соотношении, мас.%: алюминий 61,56-62,44, титан 30,53-31,79, кремний 5,77-7,91. Техническим результатом изобретения является повышение стойкости режущего инструмента и повышение качества обработанной поверхности изделий из нержавеющих, жаропрочных сталей и титановых сплавов.

 

Изобретение относится к нанесению износостойких покрытий на режущий инструмент, в частности к нанесению покрытий распылением и конденсацией в вакууме на твердосплавный режущий инструмент.

Изобретение может быть использовано во всех областях машиностроения, связанных с механической обработкой металлов, в том числе обработкой жаропрочных, нержавеющих сталей и титановых сплавов.

Известно, что дальнейшее развитие машиностроительного производства тесно связано с реализацией высокопроизводительных технологических процессов. Это обуславливает новые требования к режущему инструменту, которые включают в себя, помимо прочности и точности изготовления самого инструмента, способность выдерживать повышенные температурные нагрузки в зоне резания. Для подавляющего числа операций высокопроизводительной обработки резанием требование использования инструмента с износостойким покрытием становится обязательным.

Основной причиной износа режущего инструмента является разупрочнение в результате действия диффузионных и коррозионно-окислительных процессов, а также образование микротрещин в покрытии и нижележащей твердосплавной основе. Для того чтобы препятствовать этим факторам, покрытие должно обладать высокой твердостью и при этом иметь высокую адгезию к инструментальному материалу.

В наибольшей степени всем функциональным требованиям к покрытиям для металлорежущего инструмента отвечают многослойные композиционные покрытия со слоями различного функционального назначения. В особенности, представляют интерес покрытия с наноразмерной структурой. Такие покрытия имеют увеличенные площади межзеренных границ, что обеспечивает интенсивную диссипацию энергии на этих границах, эффективное упрочнение материала покрытия при сохранении достаточной вязкости, высокую устойчивость к зарождению и распространению микротрещин.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату, взятое за прототип, является композиционное покрытие Al_xTi_1-xN, где х изменяется в пределах 0,52-0,58 (Патент US 8277958, 2012, В32В 9/00), осаждаемое вакуумно-дуговым методом на инструмент из твердого сплава. Средний размер зерна данного покрытия составляет 25 нм, а значение температурной стойкости достигает 800°С. Однако, из-за недостаточно высокой твердости (30 ГПа), температурной стойкости и слабой адгезии нижнего слоя к инструментальной подложке данное покрытие не позволяет достичь требуемого технического результата в условиях резания труднообрабатываемых материалов.

Технический результат - повышение работоспособности твердосплавного режущего инструмента при работе в тяжелых условиях резания при обработке жаропрочных, нержавеющих сталей и титановых сплавов.

Указанный технический результат достигается тем, что режущий инструмент с многослойным покрытием содержит инструментальную основу из твердого сплава и нанесенное на нее трехслойное покрытие, состоящее из нижнего адгезионного слоя из нитрида титана, переходного слоя из нитридов алюминия, титана и кремния при их соотношении, масс.%: алюминий 19,56-21,39, титан 74,72-78,15, кремний 2,29-3,89, и наноструктурированного основного износостойкого слоя из нитридов алюминия, титана и кремния при их соотношении, масс.%: алюминий 61,56-62,44, титан 30,53-31,79, кремний 5,77-7,91. Толщина адгезионного слоя находится в пределах 0,1-0,2 мкм, переходного слоя 0,3-0,4 мкм, основного износостойкого слоя 1,5-2,5 мкм. Общая толщина покрытия составляет 1,9-3,1 мкм. Твердость покрытия составляет 34-38 ГПа, а средний размер зерна - 2-4 мкм. Температурная стойкость при этом достигает значений 1000°С.

Такая структура покрытия позволяет получить высокую прочность сцепления с основой из-за наличия в покрытии нижнего слоя, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой и переходного слоя, в котором имеется хотя бы один элемент из состава адгезионного слоя и основного износостойкого слоя, что увеличивает прочность связи слоев между собой.

Для выявления преимущества предлагаемого в данном изобретении покрытия было нанесено покрытие - прототип, согласно известному способу, а также покрытие по предлагаемому изобретению. Покрытия наносили на установке вакуумно-дугового осаждения покрытий на цельнотвердосплавные фрезы, предназначенные для обработки жаропрочных, нержавеющих сталей и титановых сплавов.

Результатом применения предлагаемого изобретения при обработке стали 12Х18Н10Т стало увеличение среднего периода стойкости фрезы диаметром 10 мм с предлагаемой моделью покрытия (AlTiSiN) на 27% по сравнению со средним периодом стойкости аналогичной фрезы с покрытием - прототипом (AlTiN). Кроме этого, применение данного изобретения позволило увеличить скорость резания на 18%.

Режущий инструмент с многослойным покрытием на рабочей части, содержащий инструментальную основу из твердого сплава и трехслойное износостойкое покрытие, характеризующийся тем, что нижний адгезионный слой выполнен - из нитрида титана, переходный слой из нитрида алюминия, титана и кремния при их соотношении, мас.%: алюминий 19,56-21,39, титан 74,72-78,15, кремний 2,29-3,89 и основной наноструктурированный износостойкий слой - из нитрида алюминия, титана и кремния при их соотношении, мас.%: алюминий 61,56-62,44, титан 30,53-31,79, кремний 5,77-7,91.