Износостойкое покрытие для режущего инструмента

Износостойкое покрытие для режущего инструмента может быть использовано в металлообработке. Покрытие представляет собой сложный нитрид титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия и тантала (TiZrNbVHfTa)N со стабильной однофазной структурой. При этом суммарное количество элементов покрытия Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta составляет от 40 до 70 ат.%, остальное – азот. Доля каждого из элементов покрытия Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta составляет не менее 4 ат.%. Стабильность фазового состава покрытия (TiZrNbVHfTa)N обеспечивает повышение надежности и стойкости режущего инструмента при высоких скоростях обработки. 2ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к составам износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.

Известно покрытие для повышения стойкости режущего инструмента на основе нитрида титана (TiN) (Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993, с. 252; Асанов Б.У., В.П. Макаров. Нитридные покрытия, полученные вакуумно-дуговым осаждением. Вестник КРСУ №2, 2002 г.).

К недостаткам данного покрытия относится относительно низкая твердость и низкая стойкость к окислению (500-600°С).

Также известно покрытие TiZrN (см. Табаков В.П., Чихранов А.В. Износостойкие покрытия режущего инструмента, работающего в условиях непрерывного резания. - Ульяновск: УлГТУ, 2007. - 255 с.).

Данное покрытие обладает более высокой трещиностойкостью и твердостью по сравнению с предыдущим аналогом. Но при этом оно имеет больший коэффициент отслоения и недостаточную термическую стойкость для условий высокоскоростной обработки.

Покрытие на основе нитридов металлов (TiAlCr)N [патент РФ №2405060], получаемое ионно-плазменным напылением обладает повышенной твердостью, износо- и термостойкостью по отношению к предыдущему аналогу. За счет соблюдения определенных концентраций элементов в покрытии стабильный фазовый состав сохраняется вплоть до температур 600-700°С.

Недостатком данного покрытия является сложность получения оптимальной концентрации элементов в процессе напыления, в частности хрома. Повышение концентрации хрома выше некоторых оптимальных значений приводит к образованию частиц интерметаллидной фазы типа Al7Cr, что снижает сопротивление хрупкому разрушению. Кроме того, при высоких скоростях обработки не менее 1,7 м/с происходит нагревание покрытия, в результате чего наблюдается фазовое превращение с образованием гексагональной фазы, что значительно снижает механические и эксплуатационные свойства покрытия и инструмента.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности и стойкости режущего инструмента при высоких скоростях обработки.

Технический результат - стабильность фазового состава предложенного покрытия на основе нитридов металлов, что обеспечивает повышение износостойкости режущего инструмента при высоких скоростях обработки за счет повышения механических и эксплуатационных свойств покрытия на основе нитридов металлов.

Поставленная задача решается предложенным покрытием, выполненным из нитрида титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия и тантала. Нанесение покрытия осуществляют путем вакуумно-дугового или магнетронного распыления катода, представляющего собой высокоэнтропийный сплав Ti-Zr-Hf-V-Nb-Ta. Содержание в сплаве каждого отдельного элемента в зависимости от суммарного содержания остальных элементов находится в пределах 5-30 ат. %. Процесс проводят в атмосфере атомарного азота. В результате получают покрытие, в состав которого входит не менее 4 ат. % каждого из элементов Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, при этом в сумме в покрытии должно содержаться от 40 до 70 ат. % указанных элементов, остальное - азот.

Сущность изобретения заключается в следующем. Покрытие (TiZrHfVNbTa)N представляет собой сложный нитрид. За счет высокой энтропии смешения компонентов стабилизируется одна единственная фаза. Благодаря тому, что в этой фазе присутствуют атомы разного размера, кристаллическая решетка такого материала сильно напряжена. Это обстоятельство препятствует активному дрейфу атомов и ограничивает скорость диффузии в этих покрытиях. Благодаря этому покрытия по изобретению обладают рядом уникальных свойств по сравнению с аналогами, такими как высокая твердость, износо-, жаро- и коррозионная стойкость, которые проявляются в повышении износостойкости режущего инструмента с предложенным покрытием при высоких скоростях обработки.

Заявленное изобретение характеризуется следующими чертежами.

Фигура 1, где представлено изображение нанесенного на инструмент покрытия по примеру 6, содержащего ат. %: 9,59 Ti, 10,57 Zr, 15,58 Hf, 7,58 V, 11,37 Nb, 7,96 Та, 37,35 N. Изображение получено на растровом электронном микроскопе FEI NovaNanoSEM 450.

Фигура 2, где представлены участки рентгенодифракционных спектров покрытия (Ti-Hf-Zr-V-Nb-Ta)N, полученного при PN=0.7 Па и Ub=-200 В до термического отжига 700°С (1) и после (2), которые подтверждают, что покрытие является однофазным и сохраняет свою структуру под воздействием высоких температур.

В таблице 1 представлены некоторые варианты составов предложенного покрытия (Ti-Hf-Zr-V-Nb-Ta)N с различным соотношением элементов.

Лабораторные испытания образца по примеру 11, содержащего ат. %: 7,67 Ti, 8,52 Zr, 9,29 Hf, 6,1 V, 8,37 Nb, 5,2 Та, 54, 85 N, проводили на высокотемпературном трибометре фирмы CSM Instruments при температурах 20°С, 500°С и 700°С. Покрытие было нанесено на подложку в форме диска из быстрорежущей стали Р6М5, диаметром 42 мм, толщиной 5 мм. Испытания проводили при вращающейся подложке в паре с неподвижным контртелом, представляющим собой шар диаметром 6 мм из оксида алюминия (Al2O3). Нагрузка на контртело 6 Н, линейная скорость 15 см/с. Результаты испытаний приведены в таблице 2 «Температурная зависимость трибологических свойств покрытия (Ti-Hf-Zr-V-Nb-Ta)N от температуры».

Таким образом, покрытие показывает высокие значения износостойкости при повышенных температурах, кроме того, с ростом температуры наблюдается понижение коэффициента трения.

Было проведено исследование изнашивания резцов, оснащенных сменными многогранными неперетачиваемыми пластинами из поликристаллических сверхтвердых материалов (далее ПСТМ) на основе кубического нитрида бора (далее КНБ) торговой марки «борсинит» (производство ИСМ НАН Украины), при точении закаленной стали ШХ15 (60-62 HRC). Типоразмер пластин RNMN 070300.

Использовались пластины двух видов:

- из ПСТМ «борсинит»;

- из ПСТМ «борсинит» с вакуумно-дуговым защитным покрытием (TiZrNbVHfTa) N по примеру 11, содержащим ат. %: 7,67 Ti, 8,52 Zr, 9,29 Hf, 6,1 V, 8,37 Nb, 5,2 Та, 54,85 N.

Исследования образцов проводили на токарно-винторезном станке ФТ-11 в условиях безударного резания. Режимы резания: скорость резания 1,2-3,1 м/с, подача 0,14 мм/об, глубина резания 0,2 мм. Результаты исследований приведены в таблице 3.

Применение на режущем инструменте, оснащенном ПСТМ «борсинит», защитного покрытия (TiZrNbVHfTa)N обеспечивает повышение его стойкости при финишном высокоскоростном точении закаленной стали ШХ 15 (60-62 HRC) в 1,4 раза.

Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает достижение заявленного технического результата - покрытие (TiZrNbVHfTa)N характеризуется стабильным фазовым составом при высоких скоростях обработки, что повышает надежность и стойкость режущего инструмента.

Износостойкое покрытие для режущего инструмента из нитрида металлов, отличающееся тем, что оно состоит из сложного нитрида титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия и тантала (TiZrNbVHfTa)N со стабильной однофазной структурой, в котором суммарное количество элементов Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta составляет от 40 до 70 ат.%, остальное – азот, причем доля каждого из элементов Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta в покрытии составляет не менее 4 ат.%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области вакуумно-плазменных химико-термических технологий обработки материалов и изделий и может быть использовано при химико-термической упрочняющей обработке методом азотирования конструкционных изделий из нержавеющей стали в машиностроении, приборостроении, нефтегазовой, аэрокосмической отраслях.

Изобретение относится к антибактериальным и противогрибковым средствам. Для изготовления изделия, имеющего антибактериальное и/или противогрибковое покрытие осуществляют предоставление первой мишени для распыления, включающей Zr; предоставление второй мишени для распыления, включающей Zn; и совместное распыление из по меньшей мере первой и второй мишеней для формирования слоя, содержащего ZnxZryO2 на стеклянной основе.

Изобретение относится к способу изготовления стального поршневого кольца (1′) с износоустойчивым покрытием (8, 9) для двигателя внутреннего сгорания, при котором формируют базовое тело (1), предназначенное для образования камеры (2) в двигателе внутреннего сгорания стороной рабочей поверхности (3).

Изобретение относится к вакуумной обработке поверхностей заготовок. Способ нанесения покрытия на металлические заготовки осуществляют в установке вакуумирования, содержащей выполненный в виде мишени первый электрод, который является частью источника испарения электрической дугой и через который подают дуговой разряд с током дугового разряда, посредством которого испаряют материал мишени, и второй электрод, который выполнен в виде держателя заготовок и вместе с заготовками образует электрод смещения, на который подают напряжение смещения.

Изобретение относится к нанесению износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к вакуумной камере для установок для нанесения покрытии. .

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения теплозащитных покрытий на рабочие лопатки газотурбинных двигателей и энергетических установок.

Изобретение относится к области пучково-плазменных технологий улучшения эксплуатационных свойств конструкционных материалов, а также изготовленных из данных материалов изделий за счет модификации их поверхности плазмой в вакууме.

Изобретение относится к химико-термической обработке изделий из стали и сплавов и может быть использовано в авиационной и космической технике, энергомашиностроении, электронике и в других отраслях промышленности.

Группа изобретений относится к нанесению покрытий на подложки и может быть использовано для нанесения покрытий на поверхности инструментов и деталей. Сверло с покрытием, которое выполнено по меньшей мере на сверлильной головке сверла и имеет по меньшей мере один слой, нанесенный магнетронным распылением импульсами высокой мощности (HIPIMS-слой), который нанесен непосредственно на корпус сверла.
Изобретение относится к ионно-плазменному способу нанесения износостойких покрытий на поверхности изделий из металлов и других материалов. Способ нанесения износостойкого покрытия на основе нитрида углерода на изделие включает ионно-плазменную очистку и нагрев поверхности изделия до 200-450°C, формирование ионно-плазменным осаждением в атмосфере аргона переходного слоя Ti, формирование ионно-плазменным осаждением в атмосфере азота переходного слоя TiN, ионно-плазменное осаждение алмазоподобной пленки CNx в атмосфере азота импульсным дуговым разрядом в виде кластеров углеродной плазмы плотностью 5⋅1012-1⋅1013 см-3, длительностью импульса 200-600 мкс и частотой следования импульсов 1-5 Гц.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Способ вакуумно-плазменного нанесения многослойного покрытия, включает нанесение нижнего слоя из нитрида хрома и нанесение верхнего слоя из нитрида соединения титана, кремния и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 93,1-95,0, кремний 1,0-1,4, молибден 4,0-5,5, при этом нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют из сплава титана и кремния, второй - из хрома и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием второго катода, а верхний слой - с использованием первого и третьего катодов.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к линии изготовления азотированного листа из текстурированной электротехнической стали и к способу изготовления листа из указанной стали с использованием данной линии.

Изобретение относится к технологиям получения износостойких, прочностных тонких алмазных пленок методом вакуумной лазерной абляции и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для получения тонкопленочных упрочняющих покрытий и создания наноструктурных материалов.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для защиты деталей от высокотемпературного окисления. Способ защиты деталей газовых турбин из никелевых сплавов включает осаждение в вакууме на внешнюю поверхность деталей первого слоя покрытия из сплава на основе никеля, содержащего, мас.%: гафний 0,5-3,0, алюминий 10,0-20,0, хром 5,0-10,0, никель – остальное.

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике и машиностроении. Способ определения микротвердости нанокомпозитного покрытия с повышенной износостойкостью по соотношению в нем металлической и керамической фаз характеризуется тем, что определяют значения микротвердости для металлического и керамического покрытий различного химического состава без примесей керамической или металлической фазы соответственно, затем получают покрытие с заданным химическим составом и заданным процентным соотношением указанных фаз с определенным шагом с изменением при этом процентного соотношения фаз металл-керамика в покрытии от нуля до максимума.

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике и машиностроении. Способ получения нанокомпозитных покрытий металл-керамика с требуемым значением микротвердости включает обеспечение в получаемом покрытии необходимого процентного соотношения металлической и керамической фаз при определенном химическом составе упомянутых фаз, при этом определяют значение микротвердости для металлического и керамического покрытий различного химического состава без примесей керамической или металлической фазы соответственно, затем получают покрытие с заданным химическим составом и заданным процентным соотношением указанных фаз с определенным шагом с изменением при этом процентного соотношения фаз металл-керамика в покрытии от нуля до максимума.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Способ вакуумно-плазменного нанесения многослойного покрытия, включает нанесение нижнего слоя из нитрида хрома и нанесение верхнего слоя из нитрида соединения титана, кремния и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 93,1-95,0, кремний 1,0-1,4, молибден 4,0-5,5, при этом нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют из сплава титана и кремния, второй - из хрома и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием второго катода, а верхний слой - с использованием первого и третьего катодов.

Износостойкое покрытие для режущего инструмента может быть использовано в металлообработке. Покрытие представляет собой сложный нитрид титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия и тантала N со стабильной однофазной структурой. При этом суммарное количество элементов покрытия Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta составляет от 40 до 70 ат., остальное – азот. Доля каждого из элементов покрытия Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta составляет не менее 4 ат.. Стабильность фазового состава покрытия N обеспечивает повышение надежности и стойкости режущего инструмента при высоких скоростях обработки. 2ил., 3 табл.

Наверх