Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента

Реферат

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 наносимое покрытие не обеспечивает такой же высокой эффективности при работе режущего инструмента с этим покрытием в условиях прерывистого резания, в частности при фрезеровании, как при непрерывном резании.

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 97082 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 и низкими сжимающими остаточными напряжениями. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам износа и разрушения и быстро разрушается при резании.

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 высокими твердостью и контактными характеристиками, 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 высокими адгезионными свойствами. Кроме того, увеличение твердости нижнего слоя покрытия также способствует дополнительному снижению интенсивности износа РИ с многослойным покрытием. Промежуточный слой должен выполнять следующие функции. Во-первых, обеспечивать повышение прочности сцепления слоев за счет его формирования из элементов верхнего и нижнего слоев. Во-вторых, иметь высокие твердость и сжимающие остаточные напряжения для снижения интенсивности износа и трещинообразования в покрытии при прерывистом резании. В-третьих, способствовать повышению трещиностойкости всего покрытия 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 соединения титана, циркония и кремния при их соотношении, мас.%: титан 89,15-93,35, цирконий 6,0-10,0, кремний 0,65-0,85; промежуточный - из карбонитрида соединения титана, циркония и кремния при их соотношении, мас.%: титан 89,15-93,35, цирконий 6,0-10,0, кремний 0,65-0,85; верхний - из нитрида соединения титана и циркония при их соотношении, мас.%: титан 85,0-91,0, цирконий 9,0-15,0, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и циркония и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают из сплава титана и кремния и располагают между ними, причем нижний и промежуточный слои наносят с использованием всех трех катодов, а верхний слой - с использованием первого и второго катодов.

Такая структура наносимого покрытия позволяет получить высокие остаточные напряжения и твердость из-за наличия в покрытии промежуточного слоя. При этом нижний и промежуточный слои обладают высокой твердостью и трещиностойкостью из-за дополнительного легирования материала слоев покрытий и наличия 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 и высокие сжимающие напряжения. Слои покрытия должны обладать также 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 трехслойное 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 циркония, 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°С. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и подаче реакционного газа азота включают все три катода и осаждают нижний слой покрытия TiZrSiN толщиной 2,0 мкм. Промежуточный слой покрытия TiZrSiCN толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и включенных трех катодах при подаче реакционного газа, состоящего из смеси азота и ацетилена (60% азота и 40% ацетилена (мас.)). Верхний слой покрытия TiZrN толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А, включенных первом (из титана и циркония) и втором (из титана и циркония) катодах и подаче реакционного газа азота. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Микротвердость покрытий определяли на микротвердомере «ПМТ-3» под нагрузкой 100 г.Остаточные напряжения определяли на рентгеновском дифрактометре «ДРОН-3М» с использованием фильтрованного Сu_Кα-излучения.

Стойкостные испытания режущего инструмента проводили при симметричном торцовом фрезеровании заготовок из стали 5ХНМ на станке 6Р12. Испытывали твердосплавные пластины марки МК8, обработанные по известному и предлагаемому способам. Режимы резания были следующими: скорость резания V=247 м/мин, подача S = 0,4 мм/зуб, глубина резания t= 1,5 мм, ширина фрезерования В=20 мм. За критерий износа была принята величина фаски износа по задней поверхности h₃=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.	Микротвердость, ГПа	Остаточное напряжения, МПа	Стойкость	Примечание
1 слой	2 слой	3 слой
Ti	Si	Zr	Ti	Si	Zr	Ti	Zr
TiN	-	29,2	-775	45	Аналог
TiSiZr-TiSiZrN-TiSiN	85,62	0,38	14,0	85,25	0,75	14,0	99,44	0,56*	38,8	-1238	296	Прототип
TiZrSiN-TiZrSiCN-TiZrN	93,25	0,75	6,0	93,25	0,75	6,0	91,0	9,0	42,9	-1494	326
91,35	0,65	8,0	91,35	0,65	8,0	88,0	12,0	43,8	-1591	374
91,25	0,75	8,0	91,25	0,75	8,0	88,0	12,0	44,6	-1622	388
91,15	0,85	8,0	91,15	0,85	8,0	88,0	12,0	43,7	-1584	369
89,25	0,75	10,0	89,25	0,75	10,0	85,0	15,0	42,9	-1472	328
Прим.: * - содержание кремния в верхнем слое покрытия

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 1,10-1,31 раза.

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, отличающийся тем, что наносят нижний слой из нитрида соединения титана, циркония и кремния при их соотношении, мас.%: титан 89,15 - 93,35, цирконий 6,0 - 10,0, кремний 0,65 - 0,85, промежуточный - из карбонитрида соединения титана, циркония и кремния при их соотношении, мас.%: титан 89,15 - 93,35, цирконий 6,0 - 10,0, кремний 0,65 - 0,85, а верхний - из нитрида соединения титана и циркония при их соотношении, мас.%: титан 85,0 - 91,0, цирконий 9,0 - 15,0, причем нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и циркония и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают из сплава титана и кремния и располагают между ними, при этом нижний и промежуточный слои наносят с использованием всех трех катодов, а верхний слой - с использованием первого и второго катодов.