Режущая пластина с многослойным покрытием

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к металлообработке, а именно к металлорежущему инструменту, и включает режущую пластину из спеченного твердого сплава с износостойким покрытием.
Для повышения износостойкости на режущую пластину наносится износостойкое многослойное покрытие, содержащее основу из твердого сплава и покрытие, включающее нижние два слоя, мягкий слой из циркония толщиной 1 мкм. Два нижних слоя покрытия выполнены из слоя нитрида титана толщиной 2,5 мкм и расположенного на нем слоя нитрида молибдена толщиной 2,5 мкм, верхний слой покрытия выполнен из нитридов циркония и молибдена с размером зерен 30-50 нм толщиной 1-1,5 мкм.
Известны режущие пластины с многослойными покрытиями из тугоплавких соединений (Верещака А.С., Работоспособность инструмента с износостойким покрытием М.: Машиностроение, 1993. - 336 с.), в частности двухслойное покрытие TiC+Ti(CN), т.е. нижний слой из карбидов титана и верхний слой из карбонитридов титана. Покрытие позволяет повысить работоспособность режущей пластины до 1,5…2 раз при обработке конструкционных сталей, чугунов. Такие покрытия наносят осаждением из газовой фазы толщиной 5…6 мкм.
Известны режущие пластины, где осаждение покрытия проводят как газофазным методом (CVD), так и физическим методом (PVD), в частности конденсацией с ионной бомбардировкой частицами из тугоплавких металлов (метод КИБ).
Предложена режущая пластина с покрытием Cr-TiC-Ti(CN)-TiN. Мягкий слой, из хрома осаждается методом КИБ, верхний слой из нитрида титана (TiN) также осаждают методом КИБ с зернами порядка - 30 нанометров, т.е. являются наноструктурными (см. О.В. Волхонский, Н.В. Блинков и др. Влияние наноструктурного финишного слоя TiN в комбинированных PVD/CVD/PVD покрытиях на свойства режущего инструмента / Труды международной научно-технической конференции «Нанотехнологии функциональных материалов», С. Петербург, 2010). Данная режущая пластина с покрытием Cr-TiC-Ti(CN)-TiN позволяет повысить износостойкость в 1,5…2 раза по сравнению с режущей пластиной с покрытием TiC-Ti (CN).
Недостатком такого вида режущей пластины является низкий прирост износостойкости. Это связано с тем, что, как показало наше исследование, разрушение покрытия происходит путем его растрескивания, которое начинается с верхних слоев и трещины прорастают в подложку. При этом образуется сетка микротрещин, а отрыв частиц покрытия происходит из-за адгезии с обрабатываемым металлом. При отрыве частиц покрытия обнажается основа (подложка) из твердого сплава. Поэтому необходимо повышать, прежде всего, трещиностойкость верхних слоев покрытия режущей пластины, которые растрескиваются с самого начала резания.
В качестве прототипа взята режущая пластина (патент RU 178165 U1), где режущая пластина с износостойким многослойным покрытием содержит основу из твердого сплава и покрытие, включающее два нижних слоя покрытия, которые выполнены в виде слоя нитрида титана толщиной 2,5 мкм и расположенного на нем слоя из нитрида молибдена толщиной 2,5 мкм. Многослойное покрытие, включает слои: нитрид титана, нитрид молибдена, верхний слой из наноструктурного нитрида циркония и мягкий слой из циркония между ним и нижним слоем.
Данная режущая пластина позволяет повысить износостойкость по сравнению с вышеописанной режущей пластиной до 1,5 раз при обработке конструкционных и закаленных сталей. Однако недостатком такого вида пластин является низкая износостойкость при обработке нержавеющих и коррозионно-устойчивых сталей и сплавов. Дело в том, что при их резании наблюдаются более высокие температуры, чем при обработке конструкционных сталей.
Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.
Решаемая задача - совершенствование режущих пластин с покрытием с целью повышения их износостойкости.
Технический результат - повышение износостойкости режущих пластин обеспечивается путем использования верхнего слоя покрытия с большей прочностью в нем межатомных связей.
Этот технический результат достигается тем, что в режущей пластине с износостойким многослойным покрытием, содержащей основу из твердого сплава и покрытие, включающее нижние два слоя, слой из циркония толщиной 1 мкм и верхний наружный слой из наноструктурного двухэлементного нитрида (Zr,Mo)N с размером зерен 30-50 нм толщиной 1-1,5 мкм, два нижних слоя покрытия выполнены в виде слоя нитрида титана толщиной 2,5 мкм и расположенного на нем слоя из нитрида молибдена толщиной 2,5 мкм.
Осаждение в качестве верхних слоев двухэлементного нитрида циркония и нитрида молибдена (Zr,Mo)N, обладающего, как показали квантово-механические расчеты, более высокой прочностью межатомных связей, а, следовательно, большей износостойкостью и трещиностойкостью, чем одноэлементные нитриды циркония, что и способствует уменьшению отрыва частиц покрытия. Данный эффект особенно является значительным при резании нержавеющих и коррозионно-устойчивых сталей и сплавов.
Изготавливали режущие пластины по прототипу, где на основу (подложку) из твердого сплава ТТ10К8Б методом КИБ (в установке ННВ) осаждали покрытия TiN и MoN по 2,5 мкм, а затем осаждали мягкий слой из циркония толщиной 1 мкм и испаряли катод из циркония в среде азота, формируя нитрид циркония ZrN толщиной 1-1,5 мкм с размером зерен порядка 30…50 нанометров.
При осаждении верхнего слоя по заявленному составу покрытия в камере испаряли одновременно два катода из циркония и молибдена, формируя сложный нитрид (Zr,Mo)N.
o
Для оценки износостойкости предлагаемого покрытия и сравнения с прототипом осуществляли точение нержавеющей стали 07Х25Н13. Режим резания: скорость резания V=40 м/мин, глубина резания t=1 мм, подача - S=0,11 мм/об. Определяли Т - время резания при достижении износа режущей пластины по задней поверхности hз=0,4 мм.
Испытаниям подвергали предлагаемые четырехгранные режущие пластины и режущие пластины по прототипу. Результаты испытаний приведены в таблице. Как показали испытания (таблица) достигнуто повышение износостойкости свыше 2 раз.
Преимущество предлагаемой режущей пластины, имеющей в верхнем слое покрытия сложный нитрид циркония и нитрид молибдена (в равной пропорции), обеспечивается тем, что повышается прочность межатомных связей в покрытии вследствие легирования циркония молибденом, вследствие этого уменьшается процесс трещинообразования покрытия и прорастания трещин в основу. Это обеспечивает повышение износостойкости режущей пластины за счет уменьшения отрыва частиц покрытия.
Таблица: Определение периода стойкости (Т) режущих пластин
Вид пластин
Предлагаемая режущая пластина(ТТ10К8Б-TiN-MoN-Zr-(Zr,Mo)N)
Прототип(ТТ10К8Б-TiN-МоN-Zr-ZrN)
Т (стойкость)
36
18