ДВУХСЛОЙНОЕ ИЗНОСОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
TWO-LAYER ABRASION RESISTANT COATING OF CUTTING TOOL

Изобретение относится к области металлообработки, в частности к созданию покрытий для режущих инструментов.
Ужесточение требований к точности размеров обрабатываемых деталей и качеству их поверхности, использование, при одновременном росте производительности процессов в промышленности, материалов с повышенными физико-механическими свойствами делает актуальной проблему повышения стойкости режущего инструмента (далее РИ). Эта проблема может быть решена не только использованием новых материалов для изготовления РИ, но и полезной модификацией поверхности рабочей части РИ, что может быть осуществлено нанесением на РИ покрытий, приводящих к повышению твердости рабочей части РИ и понижению коэффициентов трения относительно обрабатываемого материала.
С начала 80-х годов прошлого века для повышения стойкости РИ начали интенсивно использовать покрытия из нитрида титана (TiN) [Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993, с.252. Асанов Б.У., В.П. Макаров. Нитридные покрытия, полученные вакуумно-дуговым осаждением. Вестник КРСУ №2, 2002 г.].
Недостатками покрытия из нитрида титана являются: недостаточная твердость, слабая адгезия с инструментальной основой, высокие коэффициенты трения, снижение исходной твердости инструментальной основы из-за отпуска при формировании нитрида титана при повышенных температурах, наличие капельной фазы TiN. Эти недостатки препятствуют достижению повышения стойкости РИ.
Следующим шагом стало создание легированных нитридных покрытий.
Так, известно покрытие режущего инструмента из нитрида титана, которое содержит кремний, (Ti,Si)N покрытие - толщиной порядка 5 мкм [патент РФ №2250810]. Покрытие наносится дуговым распылением материала катодов, включающих элементы химического состава покрытия. Наличие кремния в нитриде титана при концентрации 0,67-1,33 масс.% способствует снижению напряжений в покрытии, повышению твердости до 30,1-32,6 ГПа и улучшению прочности сцепления покрытия с инструментальной основой.
Стойкость инструмента с покрытием (Ti,Si)N, по сравнению с инструментом с простым покрытием из TiN, повышается в 1,5 раза для инструмента из быстрорежущей стали Р6М5К5.
Однако высокие коэффициенты сухого трения (0,4-0,6) не позволяют добиться максимального эффекта повышения стойкости РИ с таким покрытием.
Известно износостойкое покрытие (TiAlCr)N режущего инструмента [патент РФ №2405060], получаемое ионно-плазменным напылением. Хром в это покрытие вводят в зависимости от концентрации титана и алюминия при превышении содержания алюминия выше 50%, что позволяет сохранить фазовый состав покрытия и, как следствие, увеличить его твердость, износостойкость и термическую стабильность, необходимые для операций в широком диапазоне скоростей сухого резания. Оптимальное количество хрома в этом покрытии должно быть в пределах от 1/7 до 1/5 от разности содержания (Al-Ti) при атомной концентрации титана больше 0,05 и отношении содержания титана к содержанию алюминия меньше единицы (Ti/Al<1).
Существенным недостатком данного покрытия является сложность в получении оптимальной концентрации элементов в процессе напыления, в частности хрома. Высокие значения коэффициентов сухого трения (0,3-0,4), характерные для таких покрытий, значительно снижают эффективность работы РИ за счет налипания стружки, что приводит к ухудшению качества обрабатываемой поверхности.
В настоящее время разработаны износостойкие покрытия для РИ на основе нитрида титана, легированные двумя элементами. Эффективность таких покрытий существенно выше, по сравнению с одноэлементными. В таблице 1 приведены основные характеристики наиболее распространенных износостойких покрытий, используемых для упрочнения РИ [Д. Локтев, Е. Ямашкин «Основные виды износостойких покрытий», Наноиндустрия, 2007, №5, с.24-30].
Таблица
Тип покрытия
TiAlN
TiAlCrYN
TiCN
TiN
DLC
МоS<sub>2</sub>
Твердость, ГПа
29-34
28-32
28-31
20-25
40-70
0.3-0.4
Толщина, мкм
1-5
1-5
1-5
1-6
1-2
1-10
Коэффициент сухого трения
0.3-0.4
0.3-0.4
0.3-0.4
0.4-0.6
0.02-01
0.05-0.1
Максимальная рабочая темп., Т°С
800
950
400
500
250-350
400
Как видно из таблицы, твердые нитридные покрытия имеют высокие значения коэффициентов сухого трения, что существенно ограничивает эффективность их использования для увеличения износостойкости РИ.
Известно также износостойкое углеродное покрытие на рабочей части режущего инструмента, выполненное из твердого алмазоподобного углерода, толщина которого составляет 1-3 мкм [патент РФ №93 716].
Нанесение такого покрытия твердостью 70-100 ГПа позволило осуществить упрочнение поверхности рабочей части РИ.
Однако такие покрытия (в силу физического механизма их образования, т.н. «внутренней имплантации») обладают большими (~10 ГПа) внутренними напряжениями. Большие внутренние напряжения в покрытии не только препятствуют его надежной адгезии к подложке, но и стимулируют рост сравнительно высоких, по сравнению с толщиной покрытия, пирамидальных выступов на их поверхности. Этот рельеф, (шероховатость покрытия) обусловливает высокие (до 0,3-0,4) значения начальных коэффициентов трения, вследствие чего увеличивается время приработки инструмента с таким покрытием.
Кроме того, существенным недостатком покрытий из твердого алмазоподобного углерода являются невысокая температура термической устойчивости, что при наличии больших внутренних напряжений, является причиной снижения износостойкости из-за появления трещин в покрытии и его отслаивания от поверхности подложки. Эти особенности твердого алмазоподобного покрытия ограничивают ресурс работы режущего инструмента с таким покрытием.
Известно также двухслойное износостойкое покрытие режущего инструмента [патент РФ №107496], выполненное из твердого аморфного алмазоподобного углерода, первый слой которого толщиной ~0,5 мкм, на поверхности рабочей части инструмента имеет твердость 70-100 ГПа, второй слой, расположенный поверх первого слоя, выполнен из твердого аморфного алмазоподобного углерода с твердостью 30-50 ГПа, толщиной от 0,3 мкм до 0,5 мкм.
Эффект повышения стойкости РИ достигается путем модификации рабочей поверхности РИ нанесением на нее сверхтвердого покрытия из аморфного алмазоподобного углерода и дополнительного менее твердого слоя покрытия из аморфного алмазоподобного углерода, полученного методом деструкции углеводородов и обладающего более низкими коэффициентами трения, чем более твердое покрытие, получаемое вакуумнидуговым импульсным распылением графита.
Уменьшение шероховатости поверхности такого двухслойного покрытия, состоящего из твердой алмазоподобной углеродной пленки, получаемой разными методами осаждения, и тем самым снижение значения начальных коэффициентов трения позволяет существенно уменьшить время, необходимое для приработки инструмента с покрытием.
Основным недостатком такого покрытием является невысокая термическая стабильность, которая не позволяет использовать этот РИ при высоких скоростях резания. При температуре свыше 450°С в зоне обработки происходит графитизация износостойкой алмазоподобной пленки, приводящая к потере эффекта повышения износостойкости, что в свою очередь приводит к ограничению возможности обработки материалов при повышенных скоростях и сужает диапазон оптимальных режимов механической обработки материалов.
Кроме того, большие внутренние напряжения, присущие алмазоподобным покрытиям, являются причиной снижения износостойкости из-за появления трещин в покрытии и его отслаивания от поверхности подложки. Эти особенности твердого алмазоподобного покрытия ограничивают ресурс работы режущего инструмента с таким покрытием.
Наиболее близким к заявляемому является двухслойное износостойкое покрытие РИ [патент РФ №120902] на его рабочей части, верхний слой которого толщиной 0,3-0,5 мкм выполнен из твердого аморфного алмазоподобного углерода твердостью 30-50 ГПа, а нижний слой, толщина которого 1-1,5 мкм, расположенный на поверхности рабочей части инструмента, имеет твердость 30-35 ГПа, выполнен в виде нитридного покрытия (Ti-Al-Si)N при следующем содержании элементов, ат.%: Ti-0,41-65,31; Аl-47,11-0,82; Si-7,82-1,16; N-остальное.
Выполнение нижнего слоя покрытия, расположенного на поверхности рабочей части инструмента, в виде нитридного покрытия (TiAlSi)N, толщиной 1,0-1,5 мкм и твердостью 30-35 ГПа обеспечило при наличии верхнего слоя, выполненного из твердого аморфного алмазоподобного углерода, с твердостью 30-50 ГПа, толщиной 0,3-0,5 мкм, увеличение рабочего ресурса за счет высокой термической стабильности нитридного покрытия при высоких скоростях резания и износостойкости инструмента за счет низких коэффициентов трения верхнего слоя из твердого аморфного алмазоподобного углерода, напиленного на нижний слой покрытия.
Однако выполнение нижнего слоя в виде нитридного покрытия (Ti-Al-Si)N, обладающего не только высокой термической стабильностью, но и достаточными значениями внутренних напряжений, не обеспечивает необходимой адгезии ни с верхним слоем из твердого аморфного алмазоподобного углерода, ни с поверхностью рабочего инструмента.
Кроме того, существенным недостатком нитридных покрытий с двумя и более легирующими элементами является трудность в поддержании необходимой концентрации легирующих элементов в покрытии, которая обеспечила бы максимальный эффект повышения стойкости РИ.
В основу заявляемого изобретения положена задача повышения рабочего ресурса режущего инструмента, обеспечиваемого заявляемым двухслойным износостойким покрытием, при упрощении нанесения покрытия.
Поставленная задача решается тем, что в двухслойном износостойком покрытии на рабочей части режущего инструмента, верхний слой которого выполнен из твердого аморфного алмазоподобного углерода толщиной 0,3-0,5 мкм, а нижний слой покрытия, расположенный на поверхности рабочей части инструмента, включающий в своем составе титан, имеет толщину 1-1,5 мкм согласно изобретению, верхний слой имеет твердость 70-100 ГПа и получен импульсно-дуговым распылением графитовой мишени, а нижний слой с твердостью 25-40 ГПа выполнен из карбида титана следующего химического состава ат.%:
Углерод
30-45
Титан
остальное
Выполнение нижнего слоя покрытия, расположенного на поверхности рабочей части РИ в виде покрытия из карбида титана толщиной 1,0-1,5 мкм и твердостью 25-40 ГПа, обеспечило при наличии верхнего слоя, выполненного из твердого аморфного алмазоподобного углерода, с твердостью 70-100 ГПа и толщиной 0,3-0,5 мкм, увеличение износостойкости инструмента за счет более низких коэффициентов трения верхнего слоя - плакирующей углеродной пленки,  напыленной на нижний слой, расположенный на поверхности рабочей части инструмента, в виде твердой пленки из карбида титана, которая обеспечивает наилучшую адгезию верхнего плакирующего слоя из твердого аморфного алмазоподобного углерода.
В заявляемом двухслойном покрытии, включающем выполнение нижнего слоя карбида титана (TiC), обладающего более низкими значениями внутренних напряжений, делает последний адгезионным подслоем для верхнего слоя из твердого аморфного алмазоподобного углерода, обеспечивающим за счет карбидообразующего элемента - титана наилучшую адгезию углеродной пленки.
Таким образом, технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением, заключается в высокой термической стабильности покрытия при высоких скоростях резания и износостойкости инструмента за счет низких коэффициентов трения верхнего слоя из твердого аморфного алмазоподобного углерода, напыленного на нижний слой, при увеличении адгезии нижнего слоя покрытия с верхним слоем из твердого аморфного алмазоподобного углерода, и с поверхностью рабочего инструмента, что, в свою очередь, обеспечило повышение рабочего ресурса режущею инструмента.
Ресурс РИ с таким покрытием был определен в условиях реального производственного процесса на Уральском заводе транспортного машиностроения (ОАО «Уралтрансмаш») при обработке деталей из стали марки 38ХС. В качестве режущего инструмента с заявляемым двухслойным износостойким покрытием были выбраны концевые фрезы (⌀=14 мм). Обработку проводили на станке ГФ2171 с ПУ при скорости вращения - 360 об/мин, и подачи - 50 мм/мин.
Стойкость фрез с заявляемым двухслойным покрытием, состоящим из TiC и твердого аморфного алмазоподобного углерода оказалась более, чем в 7 раз выше, чем стойкость фрез без покрытия при более высоком качестве обрабатываемой поверхности всех деталей. Фрезой без покрытия обрабатывали всего 6 деталей и в дальнейшем ее необходимо было перетачивать. Фрезой с заявляемым покрытием обрабатывали 45 деталей. На всех обрабатываемых деталях (45 штук) фрезой с указанным покрытием достигается средняя шероховатость поверхности на уровне 20 мкм при фрезеровании одной фрезой за счет низких коэффициентов трения верхнего углеродного слоя, а фрезами без покрытия достигаемая шероховатость составляет 40 мкм.
Стойкость РИ с заявляемым покрытием оказалась в полтора раза выше стойкости РИ с двухслойным алмазоподобным покрытием [патент РФ №107496]. Вследствие высоких значений внутренних напряжений нижнего слоя твердого аморфного алмазоподобного покрытия, являющего адгезионным подслоем для последующей углеродной пленки, повышается вероятность отслоения такого покрытия в процессе эксплуатации РИ, ведущая к понижению ресурса работы инструмента.
Стойкость РИ с заявляемым покрытием в два раза больше стойкости наиболее близкого РИ с двухслойным износостойким покрытием [патент РФ №120902] благодаря более качественной адгезии плакирующей углеродной пленки к нижнему адгезионному слою, а также за счет более высокой твердости как нижнего, так и верхнего слоев, по сравнению с твердостью этих слоев в РИ [патент РФ №120902].
Немаловажное значение имеет тот факт, что пленку карбида титана технологически проще напылять, чем пленку сложного состава распылением композитного катода, содержащего три элемента в специальной пропорции.
Таким образом, заявляемое покрытие РИ обеспечивает повышение рабочего ресурса последнего при больших скоростях резания с обеспечением высокого качества обрабатываемой поверхности.