СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF MULTI-LAYER COATING FOR CUTTING TOOL

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 и циркония TiZrN и верхнего слоя нитрида титана, циркония и хрома TiZrCrN (см. патент на изобретение RU 2297473 С1, С23С 14/24, С23С 14/06. - 20.04.2007. - Бюл. №11), 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 низкие остаточные напряжения и высокую теплопроводность. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам трещинообразования и практически не препятствует проникновению тепла вглубь инструмента.
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. Ползучесть, в свою очередь, вызвана проникновением тепла, образующегося при резании и трении стружки о поверхности инструмента, вглубь инструмента. 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.
Технический результат - повышение работоспособности РИ и качества обработки.
-4
-4
-3
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в предложенном способе на рабочие поверхности РИ вакуумно-дуговым методом наносится трехслойное покрытие. Особенность заявляемого способа заключается в том, что в качестве нижнего слоя при давлении азота в камере установки 7,5·10 Па и температуре 600°С наносят нитрид титана и железа, в качестве промежуточного слоя при давлении азота в камере установки 7,5·10Па и температуре 550°C наносят такой же нитрид, легированный кремнием, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 4,3·10 Па и температуре 500°C наносят нитрид титана и кремния. Осаждение нижнего слоя покрытия при пониженном давлении газа и повышенной температуре позволяет получить более высокую прочность сцепления покрытия с инструментальной основой, а снижение температуры и увеличение давления газа при осаждении последующих слоев позволяет увеличить его микротвердость и остаточные сжимающие напряжения. Компоновка установки для нанесения покрытия включает два составных катода с корпусом из титанового сплава ВТ1-0 и вставками из кремния и нержавеющей стали 12Х18Н10Т и один катод из титана. При осаждении нижнего слоя используются катоды из титана и титана-железа с целью получения слоя TiFeN, при осаждении промежуточного слоя используют все три катода, а при осаждении верхнего слоя катод, содержащий железо отключают. Использование в качестве материалов слоев сложных нитридов с высокими остаточными сжимающими напряжениями способствует повышению трещиностойкости покрытия, кроме того, такие материалы имеют более низкую теплопроводность по сравнению с покрытиями типа TiN, TiCN, TiAlN. При этом в зависимости от области использования инструмента с покрытием, его общая толщина может колебаться в пределах от 5 до 8 мкм, а доля нижнего слоя составлять 40-50% от общей толщины покрытия.
Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе резания РИ работает в условиях трещинообразования, а также воздействия высоких температур. 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 и увеличения температуры кондесации, правда при этом снижаются другие его эксплуатационные свойства (износостойкость и др.). Поэтому целесообразно применение трехслойного 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 5 до 8 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, соответствующему оптимальному значению, указанному в известном способе, а также трехслойное покрытие по предлагаемому способу. Покрытия наносили на твердосплавные пластины в вакуумной камере установки «Булат - б», снабженной тремя вакуумно-дуговыми испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. В качестве катодов испаряемого металла при нанесении нижнего слоя (TiFeN) использовали два катода из титанового сплава ВТ1-0 и титана-железа. При нанесении промежуточного слоя (TiFeSiN) используют указанные два катода плюс катод, содержащий корпус из титанового сплава ВТ1-0 со вставкой из кремния и расположенный между первыми катодами. При нанесении верхнего слоя использовали катод из титана и составной катод со вставкой из кремния. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки.
Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа (покрытие TiFeN-TiFeSiN-TiSiN толщиной 6 мкм).
-3
-4
-4
-4
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 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°C. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем снижают отрицательное напряжение до 150 В, ток катушек до 0,35 А, включают два противоположных испарителя (катода) - из титана и титана-железа, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной 2,0 мкм (слой TiFeN) в течение 18 мин пи давлении газа 7,5·10 Па. Температура конденсации при этом 600°C. Затем при напряжении до 120 В, токе фокусирующих катушек до 0,25 А, включают третий катод (содержащий кремний). В камеру подается реакционный газ (давление 7,5·10 Па) - азот и осаждают второй слой покрытия (TiFeSiN) толщиной 2,0 мкм в течение 18 мин. Температура конденсации при этом 550°C. Затем при напряжении до 120 В, токе фокусирующих катушек до 0,25 А, отключают катод из титана-железа. В камеру подается реакционный газ (давление 4,3·10 Па) - азот и осаждают третий слой покрытия (TiSiN) толщиной 2,0 мкм в течение 18 мин. Температура конденсации при этом 500°C. 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.
Результаты испытаний РИ с покрытием
№ пп
Материал покрытия
Толщина слоев покрытия (нижний - верхний), мкм
Н<sub>µ</sub>, ГПа
К<sub>0</sub>
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
TiZrN-TiZrCrN
2-4
36,1
0,33
117
Прототип
3
TiFeN-TiFeSiN-TiSiN
2-2-2
40,1
0,29
135
В соответствии с формулой
4
TiFeN-TiFeSiN-TiSiN
1-4-1
37,0
0,37
120
Получены с отклонениями толщины
5
TiFeN-TiFeSiN-TiSiN
2-2-2
38,1
0,35
122
При одинаковом давлении
6
TiFeN-TiFeSiN-TiSiN
2-2-2
37,3
0,40
111
При одинаковой температуре
1. Н<sub>µ</sub> - микротвердость, ГПа (по Виккерсу).2. К<sub>0</sub> - коэффициент отслоения, уменьшение величины которого свидетельствует о росте прочности сцепления с инструментальной основой.
Как видно из приведенных в таблице данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше стойкости пластин, обработанных по способу-прототипу на 7-12%. При этом пп.4 иллюстрируют, что при нарушении требований по назначению толщин слоев стойкость пластин снижается. В пп.5 показано, что в случае применения покрытий со слоями, осажденными при одинаковом давлении газа, стойкость также снижается. В пп.6 показано, что в случае применения покрытий со слоями, осажденными при одинаковой температуре конденсации, стойкость также снижается.