СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF WEAR-RESISTANT COATING FOR CUTTING TOOL

Изобретение относится к способам получения износостойких покрытий на режущем инструменте и может быть использовано в металлообработке. Известен способ повышения стойкости режущего инструмента, при котором на его поверхность вакуумным ионно-плазменным методом наносят покрытия на основе нитрида титана-циркония (см. US Patent 6838151 В2). К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе покрытие обладает недостаточной твердостью, адгезионной прочностью, стабильностью структуры и фазового состава в процессе резания. В результате покрытие в большей мере подвергается износу, в нем быстро появляются следы выкрашивания материала износостойкого покрытия, и происходит его отслоения на контактных площадках, протекают процессы структурного, фазового изменения в процессе резания, приводящие к разупрочнению режущего инструмента, что снижает стойкость и уменьшает возможности использования режущего инструмента.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ повышения стойкости режущего инструмента, включающий нанесение износостойкого покрытия на основе нитрида титана-хрома, дополнительно легированного цирконием, вакуумным ионно-плазменным методом (см. патент RU 2270274 С1), 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 обладает недостаточной адгезионной прочностью, стабильностью структуры и фазового состава в процессе резания.
К современному металлорежущему инструменту в настоящее время предъявляется ряд высоких требований - точность обрабатываемых деталей, срок службы, возможность работать при высоких скоростях резания без СОЖ (смазочно-охлаждающая жидкость) и возможность использования одного инструмента как при операциях прерывистого, так и непрерывного резания. Основной причиной разрушения покрытия является деформация режущего клина, усталостные явления, являющиеся причиной появления выкрашивания материала износостойкого покрытия и его отслоения на контактных площадках, а также процессы структурного, фазового изменения, происходящие в покрытии в процессе резания, в результате которых происходит разупрочнение режущего инструмента. Одним из путей повышения стойкости и расширения области практического применения режущего инструмента является нанесение покрытий многокомпонентного типа, содержащих легирующие элементы, способствующие повышению прочностных (в том числе прочности соединения покрытия с субстратом) свойств покрытия и стабилизации структуры и фазового состава в процессе резания.
Технический результат - повышение работоспособности режущего инструмента и расширение области его практического применения.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе на поверхность режущего инструмента вакуумным ионно-плазменным методом наносится многокомпонентное покрытие - нитрид титана-хрома-циркония. Особенность заявленного способа заключается в том, что при нанесении покрытия в качестве дополнительных компонентов используют ниобий и алюминий в количестве 1-5% атомных и содержание циркония более 5% атомных, а нанесение покрытия осуществляют с помощью расположенных горизонтально в одной плоскости трех дуговых испарителей, подключенных к сепаратору капельной фазы, следующего состава: титан-алюминевый катод из сплава ВТ-5, цирконий-ниобиевый комбинированный катод и хромовый.
Сущность изобретения заключается в снижении эффективности деформационных процессов, уменьшении усталостных явлений в процессе резания и повышении прочностных свойств покрытия. В условиях резания покрытие должно иметь высокую твердость, прочность соединения покрытия с субстратом и высокие свойства стабильности структуры и фазового состава в процессе резания.
Для экспериментальной проверки предлагаемого способа было нанесено покрытие прототип, указанное в известном способе, а также покрытие, получаемое по предлагаемому способу. Покрытия наносили на твердосплавные пластины на установке вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий в вакууме «Булат» - «ННВ 6.6-И1», снабженной тремя вакуумными дуговыми испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости.
Ниже приведены конкретные примеры осуществления предлагаемого способа.
Пример 1
Покрытие Ti-Al-Cr-Zr-Nb-N толщиной 6 мкм, наносимое на твердосплавную пластину ВК6 SNUN 120408 при напряжении смещения на субстрате 120 В и токе на цирконий- ниобиевом катоде 135 А.
3
Твердосплавные пластины ВК6 обрабатывают в струйно-абразивной камере, промывают в ультразвуковой ванне, сушат в парах спирта и устанавливают на кинематическом устройстве в вакуумной камере установки «Булат» - «ННВ6.6-И1», снабженной тремя испарителями, расположенными в одной плоскости. Используются три дуговых испарителя: первый катод титан-алюминий из сплава ВТ5, подключенный к сепаратору капельной фазы, второй - комбинированный цирконий-ниобиевый, подключенный к сепаратору капельной фазы, и третий - хромовый, подключенный к сепаратору капельной фазы. Камеру откачивают до давления 3*10 Па, включают кинематическое устройство, подают на него потенциал смещения 1кВ, включают один испаритель и при токе дуги 120 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 700°С. Затем при потенциале смещения 120 В, токе дуги 135 А на цирконий-ниобиевом катоде, 120 А на титан-алюминиевом и 90А на хромовом включают дуговые испарители, подают в камеру реакционный газ азот. Осаждают покрытие в течение 70 минут. Каждые 10 минут для подогрева субстрата потенциал смещения увеличивают до 1 кВ на 2 минуты. После нанесения покрытия отключают дуговые испарители, подачу реакционного газа, кинематическое устройство и снимают потенциал смещения. Через 40 минут камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.
Пример 2
3
Покрытие Ti-Al-Cr-Zr-Nb-N толщиной 6 мкм, наносимое на твердосплавную пластину ВК6 SNUN 120408 при напряжении смещения на субстрате 120 В и токе на цирконий-ниобиевом катоде 170 А. Твердосплавные пластины ВК6 обрабатывают в струйно-абразивной камере, промывают в ультразвуковой ванне, сушат в парах спирта и устанавливают на кинематическом устройстве в вакуумной камере установки «Булат» - «ННВ 6.6-И1», снабженной тремя испарителями, расположенными в одной плоскости. Используются три дуговых испарителя: первый катод титан-алюминий из сплава ВТ5, второй - комбинированный цирконий-ниобиевый и третий - хромовый. Камеру откачивают до давления 3*10 Па, включают кинематическое устройство, подают на него потенциал смещения 1 кВ, включают один испаритель и при токе дуги 120 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 700°С. Затем при потенциале смещения 120 В, токе дуги 170 А на цирконий-ниобиевом катоде и 120 А на титан-алюминиевом и 90 А на хромовом включают дуговые испарители, подают в камеру реакционный газ азот. Осаждают покрытие в течение 70 мин. Каждые 10 минут для подогрева субстрата потенциал смещения увеличивают до 1 кВ на 2 минуты. После нанесения покрытия отключают дуговые испарители, подачу реакционного газа, кинематическое устройство и снимают потенциал смещения. Через 40 минут камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.
Пример 3
3
Покрытие Ti-Al-Cr-Zr-Nb-N толщиной 6 мкм, наносимое на твердосплавную пластину ВК6 SNUN 120408 при напряжении смещения на субстрате 120 В и токе на цирконий-ниобиевом катоде 180 А. Твердосплавные пластины ВК6 обрабатывают в струйно-абразивной камере, промывают в ультразвуковой ванне, сушат в парах спирта и устанавливают на кинематическом устройстве в вакуумной камере установки «Булат» - «ННВ 6.6-И1», снабженной тремя испарителями, расположенными в одной плоскости. Используются три дуговых испарителя: первый катод титан-алюминий из сплава ВТ5, второй - комбинированный цирконий-ниобиевый и третий - хромовый. Камеру откачивают до давления 3*10 Па, включают кинематическое устройство, подают на него потенциал смещения 1 кВ, включают один испаритель и при токе дуги 120 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 700°С. Затем при потенциале смещения 120 В, токе дуги 180 А на цирконий-ниобиевом катоде и 120 А на титан-алюминиевом и 90 А на хромовом включают дуговые испарители, подают в камеру реакционный газ азот. Осаждают покрытие в течение 70 минут. Каждые 10 минут для подогрева субстрата потенциал смещения увеличивают до 1 кВ на 2 минуты. После нанесения покрытия отключают дуговые испарители, подачу реакционного газа, кинематическое устройство и снимают потенциал смещения. Через 40 минут камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.
Пример 4
3
Покрытие Ti-Al-Cr-Zr-Nb-N толщиной 6 мкм, наносимое на твердосплавную пластину ВК6 SNUN 120408 при напряжении смещения на субстрате 120 В и токе на цирконий-ниобиевом катоде 125 А. Твердосплавные пластины ВК6 обрабатывают в струйно-абразивной камере, промывают в ультразвуковой ванне, сушат в парах спирта и устанавливают на кинематическом устройстве в вакуумной камере установки «Булат» - «ННВ 6.6-И1», снабженной тремя испарителями, расположенными в одной плоскости. Используются три дуговых испарителя: первый катод титан-алюминий из сплава ВТ5, второй - комбинированный цирконий-ниобиевый и третий - хромовый. Камеру откачивают до давления 3*10 Па, включают кинематическое устройство, подают на него потенциал смещения 1 кВ, включают один испаритель и при. токе дуги 120 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 700°С. Затем при потенциале смещения 120 В, токе дуги 125 А на цирконий-ниобиевом катоде и 120 А на титан-алюминиевом и 90А на хромовом включают дуговые испарители, подают в камеру реакционный газ азот. Осаждают покрытие в течение 70 минут. Каждые 10 минут для подогрева субстрата потенциал смещения увеличивают до 1 кВ на 2 минуты. После нанесения покрытия отключают дуговые испарители, подачу реакционного газа, кинематическое устройство и снимают потенциал смещения. Через 40 минут камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.
Прочность соединения покрытия с субстратом измеряли на приборе revetest CSM-Instruments (Швейцария) методом измерительного царапания.
Твердость покрытий была измерена на микроиндентометре Micro-Hardness Tester - МНТ CSM-Instruments (Швейцария).
Аттестационные стойкостные испытания режущих свойств для непрерывного резания (продольного точения) проводили на токарном станке модели «16К20» с резцами со сменными многогранными пластинами. Обрабатываемый материал серый чугун СЧ30. Режим резания: скорость резания V=150 м/мин, подача S=0,2 мм/об, глубина t=1,0 мм.
Аттестационные стойкостные испытания режущих свойств для прерывистого резания (поперечного фрезерования) проводили на универсальном фрезерном станке модели «675» с резцами со сменными многогранными пластинами. Обрабатываемый материал серый чугун СЧ30. Режим резания: скорость резания V=150 м/мин, подача S=0,2 мм/об, глубина t=1,0 мм.
ст
Критерием износа служил износ по задней поверхности пластины, равный 0,5 мм, для пластин без покрытия. Показателем режущих свойств пластины с покрытием является коэффициент стойкости К, который определяется отношением ее стойкости, выраженной во времени, в течение которого происходит затупление пластины до установленной величины износа, к стойкости пластины из материала основы, выраженной в свою очередь во времени, в течение которого происходит затупление пластины до величины износа, равной 0,8 мм.
Исследование фазового состава и микроструктуры осажденных покрытий осуществляли методом рентгеновской дифракции на дифрактометре ДРОН 4. Анализ элементного состава проводили на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6700F с приставкой для энергодисперсионной спектрометрии JED-2300F JEOL. В таблице 1 приведен фазовый, элементный состав и характеристики микроструктуры полученных покрытий.
Таблица 1
Результаты исследований элементного, фазового состава и микродеформаций решетки полученных покрытий
Номер примера
Элементный состав покрытий, %
Фазовый состав
Микродеформации решетки, %
Ti
Al
Cr
Zr
Nb
N
1
13,5
1,2
19,3
5,6
1,9
58,5
Zr(Al,Cr,Nb)N,
2,76±0,43
Ti(Al,Cr,Nb)N
1,52±0,10
2
18
1
20,4
11,4
2,3
47
Zr(Al,Cr,Nb)N
2,14±0,08
Ti(Al,Cr,Nb)N
1,43±0.14
3
11,9
1
22,5
12,5
2,4
50,4
Zr(Al,Cr,Nb)N,
2,90±0,20
Ti(Al,Cr,Nb)N
1,23±0,07
4
17,7
0,9
18,8
4,8
1,8
55,2
Ti(Al,Cr,Zr,Nb)N
1,60±0,11
Как видно из полученных результатов, увеличение тока дуги на цирконий-ниобиевом катоде от 125 А до 180 А приводит к увеличению содержания циркония в осаждаемом покрытии от 4,8% до 12,5% и ниобия от 1,8% до 2,4% соответственно, при одновременном уменьшении содержания других элементов.
При этом изменяется величина микродеформаций решетки, так, для фазы на основе сложного нитрида на основе TiN она изменяется от 1,60±0,11% до 1,23±0,07%. При уменьшении тока дуги на цирконий-ниобиевом катоде до 125 А с соответствующим уменьшением содержания циркония и ниобия, покрытие переходит из двухфазной области [сложные нитриды Ti(Al,Cr,Nb)N, Zr(Al,Cr,Nb)N] в однофазную [сложный нитрид Ti(Al,Cr,Zr,Nb)N].
Таблица 2
Результаты испытаний режущего инструмента с износостойким покрытием
№ пп
Материал покрытия
Микротвердость, ГПа
Прочность соединения покрытия с субстратом, Н
Стойкость при операции точения, мин
Стойкость при операции фрезерования, мин
Примечание
1
TiAlN
25
30
30
30
Аналог
2
TiCrZrN
30
55
50
35
Прототип
3
TiAlCrZrNbN
30
61
60
45
Пример №1
TiAlCrZrNbN
31
62
58
45
Пример №2
TiAlCrZrNbN
28
60
43
45
Пример №3
TiAlCrZrNbN
28
61
40
45
Пример №4
Как видно из приведенных в таблице 2 эксплуатационных свойств режущего инструмента с покрытием, введение в состав покрытия алюминия приводит увеличению прочности соединения между покрытием и субстратом вследствие диффузии атомов алюминия из покрытия в субстрат. Наличие диффузионной зоны на границе раздела покрытия и субстрата было подтверждено при исследовании твердосплавных пластин с покрытием, нанесенным указанным способом, на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6700F с приставкой для энергодисперсионной спектрометрии JED-2300F JEOL (Япония).
Проведенные исследования микроструктуры и состава покрытия на режущем инструменте как до, так и после исследований его стойкости при непрерывном и прерывистом резании показали отсутствие каких-либо их изменений при эксплуатации для всех приведенных примеров. Это подтверждает высокую стабильность структуры и состава покрытия в процессе резания.
В примерах №1 и №2 предлагаемого способа отображены оптимальные режимы нанесения покрытия на лезвийный инструмент с точки зрения его режущих свойств.
При токе более 170 А на цирконий-ниобиевом катоде (пример №3 предлагаемого способа) в покрытии наблюдается формирование большого количества микрокапельной фазы. Микрокапельная составляющая является опасным дефектом покрытия, особенно если она расположена на границе раздела «субстрат - покрытие» или на поверхности покрытия, так как снижает эксплуатационную эффективность инструмента. Капли распыляемого материала в объеме покрытия могут стать причиной возникновения механических деформаций и снижения твердости покрытия. Капли, сформированные на границах раздела «покрытие-субстрат» часто являются причиной отслоения покрытия вследствие формирования микропор, возникновения микротрещин и резкого снижения прочности соединения покрытия с субстратом. Капли, формируемые на поверхности покрытия, могут привести к резкому повышению прочности соединения между обрабатываемым материалом и покрытием, что является причиной существенного повышения интенсивности изнашивания инструмента, снижению эффектов покрытия.
При токе менее 135 А на цирконий-ниобиевом катоде (пример №4 предлагаемого способа) в покрытии содержится менее 5% атомных циркония, в следствие чего покрытие переходит из двухфазного в однофазное состояние, как видно из таблицы 1, это приводит к уменьшению микронапряжений в покрытии, что отрицательно сказывается на физико-механических свойствах режущего инструмента (прежде всего на твердости) и, в конечном счете, приводит к уменьшению износостойкости режущего инструмента.
Стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше износостойкости пластин, обработанных по способу прототипу, на 22% для прерывистого резания и на 17% для непрерывного резания (пример №1 и №2 предлагаемого способа).
Покрытие, нанесенное указанным способом, расширяет область применения режущего инструмента, т.е. инструмент может быть использован как при операциях прерывистого, так и непрерывного резания.