способ получения износостойкого покрытия для режущего инструмента

Формула изобретения

Способ получения износостойкого покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия в среде реакционного газа, отличающийся тем, что нижним наносят слой нитрида титана-циркония TiZrN толщиной 2 мкм с использованием двух составных катодов из Ti-Zr и катода из титанового сплава, промежуточным - слой нитрида титана-циркония TiZrN толщиной 2 мкм с использованием двух составных катодов из Ti-Zr, верхним - слой нитрида титана-циркония TiZrN толщиной 2 мкм с использованием одного составного катода из Ti-Zr и катода из титанового сплава, а в качестве реакционного газа используют азот.

Описание изобретения к патенту

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-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 повышения стойкости РИ, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя карбонитрида титана-циркония TiZrCN и верхнего слоя нитрида титана-циркония TiZrN (см. патент RU 2207398 С2, МПК 7 С 23 С 14/06//В 23 С 5/06. Способ нанесения износостойкого покрытия на режущий инструмент/ В.П.Табаков, Н.А.Ширманов, М.Ю.Смирнов, А.А.Ермолаев. - 2003. - Бюл. №18), 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 содержит слои, имеющие низкую прочность сцепления друг с другом. Также известное покрытие обладает недостаточной трещиностойкостью. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам износа и разрушения и быстро разрушается 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. Основной причиной износа РИ при прерывистом резании является возникновение трещин в его режущей части, являющихся причиной появления сколов и выкрашиваний, связанных с усталостным разрушением в результате воздействия переменных теплосиловых нагрузок из-за чередования рабочего и холостого ходов РИ. 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. Еще одним фактором, сопровождающим прерывистое резание и приводящим к разрушению режущего клина, являются адгезионно-усталостные процессы, связанные с отделением застойной зоны (области стружки на участке пластических деформаций) от контактной площадки на передней поверхности. Это явление приводит к отслоению слоев покрытия друг от друга и разрушению поверхностных слоев РИ. Также при резании с высокими скоростями резания интенсифицируются процессы окислительного износа, способствующие разупрочнению материала покрытия и инструментальной основы.

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 нижним наносят слой нитрида титана-циркония TiZrN толщиной 2 мкм с использованием двух составных катодов из Ti-Zr и катода из титанового сплава, промежуточным - слой нитрида титана-циркония TiZrN толщиной 2 мкм с использованием двух составных катодов из Ti-Zr, верхним - слой нитрида титана-циркония TiZrN толщиной 2 мкм с использованием одного составного катода из Ti-Zr и катода из титанового сплава, а в качестве реакционного газа используется азот. Компоновка установки для нанесения покрытия включает два составных катода титана-циркония Ti-Zr, содержащие 67% титана и 33% циркония, и один катод из титанового сплава ВТ1-0 между ними. При осаждении нижнего слоя используются все три катода с целью получения слоя TiZrN, имеющего микрослоистую трещиностойкую структуру (для торможения трещин, растущих из основы) и высокую прочность сцепления с инструментальной основой. Промежуточный слой осаждается из двух противоположных составных катодов Ti-Zr с целью получения слоя с высокой микротвердостью, назначение которого - создание в многослойном покрытии переменной твердости для эффективного торможения трещин на границах слоев. Верхний слой осаждается из одного составного катода Ti-Zr и одного катода из титана для получения максимального содержания нитрида титана в этом слое, что способствует снижению тепловыделения при резании и, следовательно, понижению вероятности возникновения трещин. Использование в качестве материалов слоев сложных нитридов обеспечивает высокую стойкость к окислению, а применение одних и тех же материалов, хотя и в различных соотношениях, в слоях способствует прочности их связи друг с другом. Общая толщина многослойного покрытия при этом составляет 6 мкм, а толщина всех слоев одинакова и равна 2 мкм.

Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе прерывистого резания во время рабочего хода РИ работает в условиях всестороннего сжатия, что благополучно сказывается на работоспособности РИ. Во время холостого хода в поверхностных слоях РИ начинают действовать напряжения растяжения, возникающие в результате более интенсивного охлаждения поверхностных слоев инструментального материала по отношению к нижележащим слоям. Наличие растягивающих напряжений отрицательно сказывается на работоспособности РИ при прерывистом резании, так как они активизируют процесс трещинообразования. Также поверхностные слои РИ подвергаются разрушению при отделении застойной зоны, имеющей адгезионную связь с поверхностью РИ. При использовании РИ с покрытиями это приводит к их отслоению или расслоению многослойных покрытий по границам слоев. В этих условиях нижний слой покрытия должен иметь высокий уровень остаточных сжимающих напряжений для того, чтобы во время холостого хода в покрытии сохранялся высокий уровень сжимающих напряжений, препятствующих появлению магистральных трещин, высокую трещиностойкость и высокую адгезию с инструментальным материалом. Верхний слой должен обладать такими контактными характеристиками, чтобы снизить уровень контактных температур и амплитуду их колебаний за время рабочего и холостого хода, что приводит к снижению амплитуды колебаний напряжений, действующих на поверхности инструмента за время рабочего и холостого хода. Промежуточный слой должен препятствовать процессам распространения трещин. Слои многослойного покрытия должны иметь высокую прочность связи друг с другом и высокую стойкость к окислению при температурах процесса резания. Толщина слоев многослойного покрытия должна быть в пределах 2 мкм.

Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанных в формуле изобретения толщин слоев, показали более низкие результаты. Изменение состава слоев также приводит к ухудшению свойств покрытия.

Для экспериментальной проверки заявленного способа было нанесено покрытие-прототип с соотношением слоев, соответствующему оптимальному значению, указанному в известном способе, а также трехслойное 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 слоя TiZrN в качестве материала катодов использовался сплав ВТ1-0 и сплав циркония Э-110. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки. Слои TiZrN осаждали в среде реакционного газа - азота при напряжении на подложке 140 В. Ток фокусирующих катушек при конденсации TiZrN составляет 0,3 А.

Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа.

Пример. Покрытие TiZrN-TiZrN-TiZrN толщиной 6 мкм.

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. Два противоположных испарителя (катода) - составные из Ti-Zr с содержанием титана 67%, циркония 33%, один катод между ними - из титанового сплава 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 140 В, ток катушек до 0,3 А включают три испарителя, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм (слой TiZrN) в течение 12 мин. Затем при напряжении до 140 В, токе фокусирующих катушек до 0,3 А включают два составных катода из Ti-Zr. В камеру подается реакционный газ - азот и осаждают второй слой покрытия (TiZrN) толщиной 2,0 мкм в течение 16 мин. Затем включают один составной катод Ti-Zr и один титановый испаритель и при напряжении 140 В, токе фокусирующих катушек 0,3 А в камеру подают реакционный газ - азот и осаждают третий слой покрытия (TiZrN) толщиной 2,0 мкм в течение 16 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.

Таблица 1 Результаты испытаний РИ с покрытием
№ пп	Материал покрытия	Толщина слоев покрытия (нижний - промежуточный- верхний), мкм	Н , ГПа	К0	Стойкость, мин		Примечание
1	2	3	4	5	6		7
Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=157 м/мин, S=0,25 мм/зуб, t=2 мм, В=20 мм
1	TiN	6	21,2	0,70	38	Аналог
2	TiZrCN-TiZrN	2-4	31,0	0,55	152	Прототип
3	TiZrN-TiZrN-TiZrN	2-2-2	32,5	0,32	275	-
Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=247 м/мин, S=0,4 мм/зуб, t=2 мм, В=20 мм
5	TiN	6	21,2	0,70	45	Аналог
6	TiZrCN-TiZrN	2-4	31,0	0,55	167	Прототип
7	TiZrN-TiZrN-TZriN	2-2-2	32,5	0,32	312	-

1. Инструментальный материал - МК8.

2. Н - микротвердость, ГПа (по Виккерсу).

3. К₀ - коэффициент отслоения, уменьшение величины которого свидетельствует о росте прочности сцепления с инструментальной основой.

Как видно из приведенных в табл.1 данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше стойкости пластин, обработанных по способу-прототипу, в 1,8-1,9 раза. Повышение периода стойкости пластин с покрытием TiZrN-TiZrN-TiZrN обусловлено их более высокими механическими свойствами: большими микротвердостью и прочнсотью сцепления с инструментальной основой (низким коэффициентом К₀). Кроме этого, увеличение количества слоев и повышение прочности их связи (в процессе фрезерования не наблюдалось их расслоения) способствуют длительной сохранности покрытия на поверхностях инструмента.