способ повышения стойкости режущего инструмента с износостойким покрытием

Формула изобретения

Способ нанесения износостойкого покрытия на режущий инструмент, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, содержащего слой нитрида или карбонитрида титана, отличающийся тем, что перед нанесением слоя нитрида или карбонитрида титана осуществляют термомеханическую активацию поверхности нижележащего слоя путем ионной бомбардировки ионами титана с энергией 1-3 кэВ при температуре 560-580°С.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ нанесения покрытия на режущий инструмент (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 нанесения покрытия на РИ, включающий вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия, состоящего из нижнего слоя карбонитрида титана TiCN и верхнего слоя нитрида титана TiN (см. Смирнов М.Ю. Повышение работоспособности торцовых фрез путем совершенствования конструкций износостойких покрытий. Дисс.... канд. техн. наук., - Ульяновск. - 2000. - 232 с.), 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 имеет низкую прочность сцепления слоев. В результате покрытие плохо сопротивляется адгезионно-усталостным процессам разрушения при прерывистом резании.

Повышение в последнее время стоимости металлорежущего инструмента и ужесточение требований к точности обрабатываемых деталей сделало еще более актуальной проблему повышения стойкости РИ. Одной из причин износа РИ при прерывистом резании является адгезионно-усталостное разрушение в результате отделения застойной зоны (части стружки на участке пластического деформирования), приводящее к отслоению либо всего покрытия, либо отдельных слоев многослойного покрытия. Так как применение многослойных покрытий является наиболее перспективным способом повышения стойкости и работоспособности РИ при прерывистом резании, то возникает необходимость улучшать их свойства. В частности, увеличение прочности сцепления слоев между собой позволит продлить срок сохранности многослойного покрытия на контактных площадках РИ и, следовательно, повысить стойкость РИ с ним.

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 многослойное покрытие. Особенность заявляемого способа заключается в том, что предлагается способ нанесения износостойкого покрытия на режущий инструмент, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, содержащего слой нитрида или карбонитрида титана, отличающийся тем, что перед нанесением слоя нитрида или карбонитрида титана осуществляют термомеханическую активацию поверхности нижележащего слоя путем ионной бомбардировки ионами титана с энергией 1-3 кэВ при температуре 560-580°С. При этом ионная бомбардировка осуществляется только в тех случаях, когда последующий слой представляет собой простой однокомпонентный нитрид или карбонитрид титана, имеющий низкую прочность адгезионной связи с подложкой. В тех же случаях, когда в качестве вышележащего слоя используются сложные многокомпонентные нитриды и карбонитриды (TiZrN, TiZrCN, TiAIN и др.), обладающие высокой прочностью сцепления с основой, ионная бомбардировка поверхности нижележащего слоя не осуществляется.

Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе прерывистого резания под действием температуры и давления образуется адгезионная связь стружки и передней поверхности РИ на участке пластического деформирования - так называемая застойная зона, которая, отделяясь вместе со стружкой, отрывает поверхностные слои РИ. Отделение застойной зоны от РИ с многослойным покрытием приводит к разрушению последнего в результате отделения его вышележащих слоев от нижележащих. Очевидно, что для повышения работоспособности РИ необходимо, чтобы покрытие как можно более длительный срок сохранялось на его контактных площадках. Повысить длительность работы многослойного покрытия в условиях адгезионно-усталостного разрушающего воздействия при отделении застойной зоны в процессе прерывистого резания можно за счет увеличения прочности связи слоев многослойного покрытия друг с другом. Повысить прочность связи слоев можно за счет ионной бомбардировки поверхности нижележащего слоя ионами титана с энергией 1-3 кэВ при температуре 580°С, что приводит к термомеханической активации поверхности осажденного слоя. Процесс ионной бомбардировки сопровождается сглаживанием неровностей поверхности, залечиванием дефектов типа пор и микротрещин, повышением температуры поверхности. Это способствует равномерному и интенсивному зародышеобразованию кристаллов материала следующего слоя многослойного покрытия. О равномерности протекания процесса образования нового слоя свидетельствует увеличение параметра текстуры J₁₁₁/J₂₀₀ многослойного покрытия с промежуточной ионной бомбардировкой. Данный факт объясняется ростом доли кристаллитов верхнего слоя с преимущественной ориентацией в кристаллографической плоскости [111] в результате снижения дезориентирующего влияния дефектов поверхности нижнего слоя. Непосредственным следствием этого факта является повышение прочности адгезионного взаимодействия вышележащего слоя с нижележащим. Следует отметить, что необходимость промежуточной ионной бомбардировки наибольшая, когда вышележащий слой состоит из простых однокомпонентных нитридов или карбонитридов (TiN, TiCN). В случае осаждения вышележащего слоя сложного многокомпонентного нитрида или карбонитрида (TiZrN, TiZrCN, TiAIN и др.), обладающих высокой прочностью адгезионной связи с основой, необходимость в промежуточной ионной бомбардировке отпадает.

Для экспериментальной проверки заявленного способа было нанесено покрытие-прототип с соотношением слоев, соответствующим оптимальному значению, указанному в известном способе, а также двух- и трехслойные покрытия 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 слоев TiN использовали титановый сплав ВТ1-0. При нанесении сложного соединения TiZrN в качестве материала двух катодов использовался сплав ВТ1-0, а в качестве материала третьего катода - сплав циркония Э-110. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки. Слои TiN осаждали в среде реакционного газа - азота при напряжении на подложке 140 В. Для осаждения слоев TiCN в качестве реакционного газа использовалась смесь азота и ацетилена (содержание ацетилена в смеси 30%), напряжение на подложке 160 В. Ток фокусирующих катушек при конденсации TiN составляет 0,3 А, при конденсации TiCN - 0,4 А.

Ниже приведены конкретные примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. Двухслойное покрытие TiCN-TiN толщиной 6 мкм для фрезерования.

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. В качестве катодов испаряемого металла используют титановый сплав марки ВТ1-0. 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°С. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем снижают отрицательное напряжение до 160 В, включают три испарителя, подают в камеру реакционные газы - азот и ацетилен (содержание ацетилена в смеси 30%) и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм (слой TiCN) в течение 12 мин. После осаждения нижнего слоя TiCN при отрицательном напряжении 1,1 кВ включают один испаритель и при токе дуги 100 А производят ионную бомбардировку и нагрев пластин до температуры 560-580°С. Затем при трех включенных испарителях, напряжении 140 В, токе фокусирующих катушек 0,3 А в камеру подают реакционный газ - азот и осаждают третий слой покрытия (TiN) толщиной 2,0 мкм в течение 24 мин. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Пример 2. Трехслойное покрытие TiCN-TiZrN-TiN толщиной 6 мкм для фрезерования.

После подготовительных процедур, описанных в примере 1, производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°С. Затем снижают отрицательное напряжение до 160 В, включают два испарителя, подают в камеру реакционные газы - азот и ацетилен (содержание ацетилена в смеси 30%) и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм (слой TiCN) в течение 12 мин. Затем снижают напряжение до 140 В, ток фокусирующих катушек до 0,3 А, включают все три испарителя. В камеру подается реакционный газ - азот и осаждают второй слой покрытия (TiZrN) толщиной 2,0 мкм в течение 12 мин. После осаждения слоя TiZrN при отрицательном напряжении 1,1 кВ включают один испаритель и при токе дуги 100 А производят ионную бомбардировку и нагрев пластин до температуры 560-580°С. Затем отключают испаритель из циркония и при напряжении 140 В, токе фокусирующих катушек 0,3 А в камеру подают реакционный газ - азот и осаждают третий слой покрытия (TIN) толщиной 2,0 мкм в течение 12 мин. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Пример 3. Трехслойное покрытие TiN-TiCN-TiN толщиной 6 мкм для фрезерования.

После подготовительных процедур, описанных в примере 1, производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°С. Затем повышают отрицательное напряжение до 220 В, включают три испарителя, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм (слой TiN) в течение 12 мин. После осаждения слоя TIN при отрицательном напряжении 1,1 кВ включают один испаритель и при токе дуги 100 А производят ионную бомбардировку и нагрев пластин до температуры 560-580°С. Затем снижают напряжение до 140 В, ток фокусирующих катушек до 0,3 А, включают все три испарителя. В камеру подаются реакционные газы - азот и ацетилен (содержание ацетилена в смеси 30%) и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм (слой TiCN) в течение 12 мин. После осаждения слоя TiZrN при отрицательном напряжении 1,1 кВ включают один испаритель и при токе дуги 100 А производят ионную бомбардировку и нагрев пластин до температуры 560-580°С. Затем при напряжении 140 В, токе фокусирующих катушек 0,3 А в камеру подают реакционный газ - азот и осаждают третий слой покрытия (TiN) толщиной 2,0 мкм в течение 12 мин. 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 вертикально-фрезерном станке модели 6Р12 торцевыми фрезами диаметром 125 мм 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. Как видно из приведенных в табл.1 данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше износостойкости пластин, обработанных по способу-прототипу, в 1,25-1.3 раз. Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно повысить износостойкость инструментов и сократить расход инструментальных материалов, что повышает эффективность применения инструмента с покрытиями. При этом нет необходимости применять дополнительные слои покрытия либо другие материалы слоев.

Таблица 1.
Результаты испытаний РИ с покрытием
№ пп	Материал покрытия	Толщина слоев покрытия, мкм			Стойкость, мин	Примечание
		1 слой	2 слой	3 слой
1	TiN	6	-	-	38	Аналог
2	TiCN - TiN	2	4	-	118	Прототип
3	TiCN ИБ - TiN	2	4		153	-
4	TiCN - TiZrN - TiN	2	2	2	162	-
5	TiCN - TiZrN ИБ - TiN	2	2	2	202,5	-
6	TiN - TiCN - TiN	2	2	2	131	-
7	TiN ИБ - TiCN ИБ - TiN	2	2	2	170,3	-

1. Инструментальный материал - МК8.

2. Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=157 м/мин, S=0,25 мм/зуб, t=2 мм, В=20 мм.

3. ИБ - ионная бомбардировка.