способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента

Формула изобретения

1. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение двухслойного покрытия, отличающийся тем, что в качестве нижнего слоя при давлении азота в камере установки 8·10^-4 Па наносят нитрид титана и алюминия, или нитрид титана и железа, или нитрид титана и циркония, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 4·10^-3 Па наносят такой же нитрид, легированный кремнием.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в двухслойном покрытии наносят нижний слой толщиной 25-50% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет 3-9 мкм.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ получения износостойкого покрытия для 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, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида титана TiN и верхнего слоя нитрида титана-циркония TiZrN (см. Свидетельство на полезную модель RU 27089 U1, МПК 7 С 23 С 14/00. - 10.01.2003. - Бюл. №1), 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, износостойкость и трещиностойкость. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам износа и разрушения и быстро разрушается при 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 является возникновение трещин в его режущей части, являющихся причиной появления сколов и выкрашиваний, связанных с усталостным разрушением и явлением ползучести режущего клина 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. Также при резании с высокими скоростями резания интенсифицируются процессы окислительного и диффузионного 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 двухслойное покрытие. Особенность заявляемого способа заключается в том, что в качестве нижнего слоя при давлении азота в камере установки 8·10 ^-4 Па наносят нитрид титана и алюминия, или нитрид титана и железа, или нитрид титана и циркония, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 4·10 ^-3 Па наносят такой же нитрид, легированный кремнием. Осаждение нижнего слоя покрытия при пониженном давлении газа позволяет получить более высокую прочность сцепления покрытия с инструментальной основой. Компоновка установки для нанесения покрытия включает один катод из титанового сплава ВТ1-0, один катод из титанового сплава, содержащий вставку из циркония или железа (или алюминиевый катод со вставкой из титана), и один катод, содержащий вставку из сплава титана и кремния. При осаждении верхнего слоя используются все три катода с целью получения слоя TiAlSiN, TiFeSiN или TiZrSiN, а при осаждении нижнего слоя катод, содержащий кремний, отключают. Использование в качестве материалов слоев сложных нитридов (TiAlSiN, TiFeSiN или TiZrSiN) обеспечивает высокую стойкость к окислительному и диффузионному износу, а также высокую износостойкость, а применение в качестве материалов обоих слоев многокомпонентных материалов способствует повышению трещиностойкости покрытия. При этом в зависимости от области использования инструмента с покрытием его общая толщина может колебаться в пределах от 3 до 9 мкм, а доля нижнего слоя составлять 25-50% от общей толщины покрытия.

Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе резания РИ работает в условиях окислительного и диффузионного износа, а также воздействия адгезионно-усталостных процессов и трещин. Для снижения интенсивности процессов износа и разрушения покрытия и самого инструмента наиболее эффективны покрытия сложного состава, а в условиях трещинообразования еще большую эффективность показывают многослойные покрытия со слоями сложного состава. При этом увеличение количества легирующих элементов в составе покрытия приводит к росту его твердости и износостойкости, а также - трещиностойкости. Однако при этом часто снижается прочность сцепления покрытия с инструментальной основой. В то же время повысить прочность сцепления покрытия с основой можно путем снижения давления реакционного газа при его конденсации, правда, при этом снижаются другие его эксплуатационные свойства (износостойкость и др.). Поэтому целесообразно применение двухслойного покрытия, в котором верхний слой должен обладать наивысшими износо- и трещиностойкостью, а нижний в первую очередь должен обеспечивать высокую прочность сцепления с инструментальной основой. В зависимости от условий резания толщина покрытия меняется от 3 до 9 мкм (меньшие значения - при прерывистом резании). При этом при уменьшении толщины покрытия доля нижнего слоя возрастает до 50%, чтобы обеспечить возможность получения сплошного слоя, способного полноценно выполнять свои функции (слои толщиной менее 1 мкм нефункциональны). Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанных в формуле изобретения толщин слоев, показали более низкие результаты.

Для экспериментальной проверки заявленного способа было нанесено покрытие-прототип с соотношением слоев, соответствующем оптимальному значению, указанному в известном способе, а также двухслойное 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 нижнего слоя (TiAlN, TiFeN или TiZrN) использовали один катод из титанового сплава ВТ1-0 и один катод из титанового сплава, содержащий вставку из циркония или железа (или алюминиевый катод со вставкой из титана). При нанесении верхнего слоя (TiAlSiN, TiFeSiN или TiZrSiN) используют указанные два катода плюс катод, содержащий вставку из сплава титана и кремния и расположенный между первыми катодами. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки.

Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа (покрытие TiZrN-TiZrSiN 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. 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 два противоположных испарителя (катода) - титановый и составной из TiZr с содержанием титана 67%, циркония 33%, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм (слой TiZrN) в течение 12 мин при давлении газа 8·10^-4 Па. Затем при напряжении до 140 В, токе фокусирующих катушек до 0,3 А, включают третий катод (содержащий кремний). В камеру подается реакционный газ (давление 4·10^-3 Па) - азот и осаждают второй слой покрытия (TiZrSiN) толщиной 4,0 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.

Стойкостные испытания проводили на токарно-винторезном станке 16К20 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-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/об, t=1 мм
1		TiN	6	21,2	0,70	38	Аналог
2		TiN - TiZrN	2-4	32,0	0,55	84	Прототип
3		TiZrN - TiZrSiN	2-4	36,0	0,32	112	В соответствии с формулой
4		TiAIN - TiAISiN	2-4	36,3	0,30	117
5		TiFeN-TiFeSiN	2-4	34,2	0,40	102
6		TiZrN - TiZrSiN	4-2	35,2	0,36	105	Получены с отклонениями
7		TiAIN - TiAISiN	4-2	35,9	0,33	106
8		TiFeN - TiFeSiN	4-2	34,6	0,40	98
9		TiZrN - TiZrSiN	2-4	36,1	0,37	100	При одинаковом давлении
10		TiAIN - TiAISiN	2-4	36,4	0,34	103
11		TiFeN - TiFeSiN	2-4	35,4	0,42	97
1. Н - микротвердость, ГПа (по Виккерсу). 2. 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 1,2-1,4 раза. При этом пп.6-8 иллюстрируют, что при нарушении требований по назначению толщин слоев стойкость пластин снижается. В пп.9-11 показано, что в случае применения покрытий со слоями, осажденными при одинаковом давлении газа, стойкость также снижается.