способ нанесения износостойкого покрытия на режущий инструмент

Формула изобретения

1. Способ нанесения износостойкого покрытия на режущий инструмент, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, отличающийся тем, что для условий непрерывного резания верхним слоем наносят (Ti, Zr)N, промежуточным слоем - TiCN, а в качестве нижнего слоя - TiN.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщина верхнего слоя (Ti, Zr)N составляет 15-25%, а среднего слоя TiCN - 25-35% от общей толщины покрытия.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ нанесения износостойкого покрытия на режущий инструмент (РИ), при котором на его поверхность вакуумно-дуговым методом наносят покрытие из нитрида титана (TiN) или карбонитрида титана (TiCN) или сложного нитрида титана и циркония ((Ti, Zr)N) (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 износостойкого покрытия на РИ, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, при этом нижним слоем наносят TiN, средним - TiCN, a внешним TiN (RU 2207398 С2, МПК⁷ С 23 С 14/06, 27.06.2003, пример 1, формула), принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе покрытие предназначено для инструмента, работающего в условиях прерывистого резания, верхний слой которого (TiN) лучше других покрытий снижает температуру на контактных площадках и амплитуду их колебаний во время рабочего и холостого ходов инструмента, но обеспечивает невысокий запас пластической прочности режущего клина инструмента и обладает относительно низкой микротвердостью. Кроме того, наблюдается скачкообразное изменение остаточных напряжений в покрытии при переходе от верхнего слоя к нижнему и к инструментальной основе, что является причиной преждевременного разрушения покрытия и его скалывания с рабочих поверхностей инструмента. В результате покрытие плохо сопротивляется износу, что приводит к его разрушению и снижению стойкости РИ.

Повышение в последнее время стоимости металлорежущего инструмента и ужесточение требований к точности обрабатываемых деталей сделало еще более актуальной проблему повышения стойкости РИ. Основной причиной износа РИ при непрерывном резании является возникновение в его режущей части трещин, вызванных упругопластическими деформациями режущего клина в процессе резания и являющихся причиной появления сколов и выкрашиваний в результате воздействия силовых и тепловых воздействий. Одним из путей повышения стойкости и работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа. Наличие в покрытии слоев с определенными теплофизическими и механическими свойствами способно тормозить процессы образования и распространения трещин без снижения микротвердости, улучшить термонапряженное состояние РИ с покрытием и повысить стойкость РИ.

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 верхним слоем наносят (Ti, Zr)N, обеспечивающий высокий запас пластической прочности режущего клина РИ и высокую микротвердость многослойной композиции, а нижележащие слои - TiCN и TiN, которые имеют более низкий уровень остаточных напряжений сжатия по сравнению с (Ti, Zr)N и обеспечивают плавное снижение остаточных напряжений от верхнего слоя к инструментальной основе. Нижний слой TiN обладает минимальным уровнем остаточных напряжений, за счет чего достигается лучшая адгезия с инструментальным материалом (коэффициент отслоения материала К_о составляет 0,6±0,3). При этом толщина внешнего слоя (Ti, Zr)N составляет 15-25%, а толщина слоя TiCN - 25-35% от общей толщины покрытия в зависимости от режимов резания.

Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе непрерывного резания, каковым является точение, износ инструмента происходит в результате образования трещин в его режущей части, вызванных упругопластическими деформациями режущего клина в процессе резания. Нанесение покрытий позволяет существенным образом изменить поверхностные свойства РИ (микротвердость) и контактные характеристики процесса резания, снижая теплосиловое состояние режущего клина. Снижение контактных нагрузок увеличивает коэффициент запаса пластической прочности режущего клина, в результате чего уменьшаются упругопластические прогибы режущей части, повышается формоустойчивость режущего клина и снижается интенсивность трещинообразования. В то же время, покрытие должно прочно удерживаться на рабочих поверхностях РИ. Известно, что чем больше разница между напряжениями в покрытии и инструментальной матрице, тем хуже оно удерживается на рабочих поверхностях РИ. Вследствие этого верхний слой покрытия должен максимально увеличивать запас пластической прочности режущего клина за счет благоприятного изменения контактных характеристик процесса резания, и обладать как можно большей микротвердостью, а нижележащие слои обеспечивать плавное снижение остаточных напряжений от верхнего слоя к инструментальной основе. Механические свойства однослойных покрытий приведены в табл. 1.

Таблица 1
Механические свойства однослойных покрытий
№пп	Материал покрытия	Микротвердость H, ГПа	Остаточные напряжения 0, МПа	Коэффициент отслоения К0
1	TiN	26,0±0,3	-(190±20)	0,6±0,3
2	(Ti, Zr)N	41,2±0,4	-(500±60)	0,9±0,3
3	TiCN	36,7±0,2	-(400±65)	1,3±0,4

Инструментальный материал - ВК6.

Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанных в формуле изобретения пределов толщины внутреннего и внешнего слоев, показали более низкие результаты. Увеличение толщины слоя (Ti, Zr)N и TiCN приводило к увеличению хрупкости покрытия. Уменьшение при этом толщины нижнего более мягкого слоя TiN приводило к тому, что нарушалась сплошность покрытия и снижалась адгезия с инструментальной основой. Уменьшение толщины слоя (Ti, Zr)N приводило к снижению микротвердости всей многослойной композиции и, как следствие, снижению стойкости инструмента.

Для экспериментальной проверки заявленного способа было нанесено покрытие-прототип с соотношением слоев, соответствующему оптимальному значению, указанному в известном способе, а также покрытие 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 и TiCN использовали титановый сплав ВТ1-0. При нанесении сложного соединения (Ti, Zr)N 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. Покрытия осаждались при температуре 560-580°С и токе дуги 110 А. 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.

Пример. Твердосплавные пластины МК8 промывают в ультразвуковой ванне, протирают ацетоном, спиртом и устанавливают на поворотном устройстве в вакуумной камере установки “Булат-6”, снабженной тремя вакуумно-дуговыми испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. В качестве материала первого и третьего электрода используется титановый сплав ВТ1-0, а в качестве материала второго электрода - сплав циркония Э-110. Ионную очистку проводили одним электродом при напряжении на подложке 400 В в течение 15 мин. Первым слоем наносился слой TiN толщиной 4 мкм в течение 28 мин. Вторым наносился слой TiCN толщиной 2 мкм в течение 26 мин. Последним осаждался слой (Ti, Zr)N толщиной 2 мкм в течение 27 мин. Затем отключали испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Стойкостные испытания проводили на токарном станке модели 16К20 проходными резцами при обработке конструкционной стали 5ХНМ без охлаждения. 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. 2 данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше износостойкости пластин, обработанных по способу-прототипу в 2,0-2,3 раза. Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить износостойкость инструментов и сократить расход инструментальных материалов, что повышает эффективность применения инструмента с покрытиями.

Таблица 2
Результаты испытаний РИ с покрытием
№пп	Материал покрытия	Толщина слоев покрытия, мкм			Стойкость, мин	Примечание
		Первый слой	Второй слой	Третий слой
Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=160 м/мин, S=0,3 мм/об, t=1 мм
1	TiN	6	-	-	37	Аналог
2	TiN-TiCN-TiN	1,5	3	1,5	55	Прототип
3	TiN-TiCN-(Ti, Zr)N	4	2	2	112	Пример
Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=200 м/мин, S=0,11 мм/об, t=1 мм
5	TiN	6	-	-	43	Аналог
6	TiN-TiCN-TiN	1,5	3	1,5	59	Прототип
7	TiN-TiCN-(Ti, Zr)N	4	2	2	133	Пример

Инструментальный материал - МК8