RU2478731C1 - Cutting tool with multilayer coating - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: cutting tool from hard alloy contains laminar coating applied by deposition from vapor phase. Said laminar costing comprises interlayer that makes diffusion barrier between cutting tool and wear-proof coating, and wear-proof coating. Said interlayer consists of nitrides of metal of the series Al, Ti, Zr, Si. Wear-proof coating consists of first layer located on interlayer and consisting of titanium diboride or zirconium or aluminium oxides, second adhesion nanosized layer consisting of Ti or Zr, and surface layer consisting of alternating nanolayers of superhard amorphous carbon and nanolayers of metals of the series of Ti, Zr, Cr, W.Outer nanolayer of surface layer consists of superhard amorphous carbon.

EFFECT: higher wear resistance.

2 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к режущим инструментам для металлообработки с износостойким покрытием и может быть использовано, в частности, для обработки титановых и никелевых сплавов.The invention relates to cutting tools for metalworking with a wear-resistant coating and can be used, in particular, for processing titanium and nickel alloys.

Развитие аэрокосмической промышленности требует применения все более прочных и легких конструкций, а также материалов, работающих в экстремальных условиях, а именно при высоких температурах и при высоких механических нагрузках. Такими материалами являются сплавы на основе титана и никеля, которые относятся к труднообрабатываемым, и требуют специальных режущих материалов для их обработки.The development of the aerospace industry requires the use of more and more durable and lightweight structures, as well as materials operating in extreme conditions, namely at high temperatures and at high mechanical loads. Such materials are alloys based on titanium and nickel, which are difficult to process, and require special cutting materials for their processing.

Возможности модифицирования материалов, применяемых для изготовления режущей части инструментов, практически исчерпаны, поэтому роль износостойких покрытий, применяемых для повышения срока службы режущих инструментов, а также повышения режимов обработки, существенно повышается.The possibilities of modifying the materials used for the manufacture of the cutting part of the tools are practically exhausted, therefore, the role of wear-resistant coatings used to increase the service life of cutting tools, as well as increase the processing conditions, is significantly increased.

Титановые и никелевые сплавы отличаются низкой теплопроводностью, в связи с этим большая часть тепла, образующегося в процессе резания, остается в режущем инструменте. Сочетание высокой температуры и эффекта упрочнения стружки во время обработки приводит к необходимости применения твердой термостойкой подложки, химически устойчивого, термостойкого и твердого покрытия. Адгезия стружки к поверхности режущих инструментов в области высоких температур приводит к необходимости использования очень гладкого покрытия с низким коэффициентом трения относительно обрабатываемого материала с уменьшенной привариваемостью стружки. Кроме того, с учетом высоких циклических сил резания, должна быть обеспечена стабильность покрытия в плане отслаивания и выкрашивания.Titanium and nickel alloys are characterized by low thermal conductivity, in connection with this, most of the heat generated during the cutting process remains in the cutting tool. The combination of high temperature and the effect of hardening of the chips during processing leads to the necessity of using a solid heat-resistant substrate, chemically stable, heat-resistant and hard coating. Adhesion of chips to the surface of cutting tools at high temperatures necessitates the use of a very smooth coating with a low coefficient of friction relative to the material being processed with reduced chip weldability. In addition, taking into account the high cyclic cutting forces, stability of the coating in terms of peeling and chipping should be ensured.

Применение многослойных покрытий на основе нитридов и карбидов тугоплавких металлов позволило существенно повысить срок службы режущих инструментов. Затем появились покрытия на основе нитридов тугоплавких металлов с добавлением алюминия, которые существенно повысили термостойкость покрытий (W.-D. Munz. Titanium aluminium nitrides films: a new alternative to TiN coatings. J. Vac. Sci. Technol. A4, 2717-2725 (1986).The use of multilayer coatings based on nitrides and carbides of refractory metals has significantly increased the life of cutting tools. Then, coatings based on refractory metal nitrides with the addition of aluminum appeared, which significantly increased the heat resistance of coatings (W.-D. Munz. Titanium aluminum nitrides films: a new alternative to TiN coatings. J. Vac. Sci. Technol. A4, 2717-2725 (1986).

Известен способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента на основе нитридов и карбонитридов титана, молибдена и алюминия при определенных их соотношениях (патент RU 2363760 С1). Недостатком данного технического решения является недостаточная износостойкость покрытия при обработке титановых сплавов.A known method of producing a multilayer coating for a cutting tool based on nitrides and carbonitrides of titanium, molybdenum and aluminum at certain ratios (patent RU 2363760 C1). The disadvantage of this technical solution is the lack of wear resistance of the coating during processing of titanium alloys.

В 1995 г. Вепрек с соавторами представили свою модель создания новых сверхтвердых нанокомпозитных материалов покрытий (S.Veprek, S.Reiprich. A concept tor design of novel superhard coatings. Thin Solid Films. 268. 64-67 (1995). Это направление получило развитие в многочисленных исследованиях и патентах, один из которых прицелен ниже.In 1995, Veprek et al presented their model for creating new superhard nanocomposite coatings (S.Veprek, S. Reiprich. A concept tor design of novel superhard coatings. Thin Solid Films. 268. 64-67 (1995). development in numerous studies and patents, one of which is aimed below.

Известно изобретение по патенту US 6103357, связанное с режущим инструментом, включающим основу из спеченых карбидов или металлокерамики, керамики или быстрорежущей стали, в которой, по крайней мере, в одной из функциональных частей или поверхности основы использовано тонкое прочно связанное твердое и износоустойчивое покрытие.The invention is known according to US Pat.

Покрытие состоит из многослойной поликристаллической структуры тугоплавких соединений в неповторяющемся виде MX/NX/MX/NX, где MX и NX - нитриды или карбиды металлов с металлическими элементами М и N, выбранными из группы Ti, Nb, Hf, V, Та, Мо, Zr, Cr, Al и W. Последовательность толщин отдельных слоев апериодична в общей многослойной структуре, и толщина слоя больше 0,1 нм, но меньше 30 нм, преимущественно меньше, чем 20 нм. Общая толщина многослойного покрытия больше, чем 0,5 мкм, но меньше чем 20 мкм. Данное покрытие имеет недостаточную износостойкость при обработке сплавов на основе никеля.The coating consists of a multilayer polycrystalline structure of refractory compounds in a non-repeating form MX / NX / MX / NX, where MX and NX are metal nitrides or carbides with metal elements M and N selected from the group Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, Al, and W. The sequence of thicknesses of the individual layers is aperiodic in the overall multilayer structure, and the layer thickness is greater than 0.1 nm, but less than 30 nm, mainly less than 20 nm. The total thickness of the multilayer coating is greater than 0.5 microns, but less than 20 microns. This coating has insufficient wear resistance when processing nickel-based alloys.

Наиболее близким техническим решением являются твердосплавные детали на основе WC-Co или WC-Ni с многослойным покрытием по патенту US 4895770 «Способ изготовления твердосплавных деталей с многослойным покрытием», где покрытие содержит промежуточное и упрочняющее покрытие, при этом промежуточное покрытие, выполняющее функцию диффузионного барьера, состоит из TiC и/или TiCN, a упрочняющее покрытие состоит из Ti(N, В) с размером зерна около 1 мкм и 0,5 мкм. Первый слой промежуточного покрытия состоит из TiC, второй слой состоит из TiCN с увеличением концентрации азота и уменьшением концентрации углерода по отношению к внешней слою, состоящему из Ti(C, N), а упрочняющий слой состоит из Ti(N, В) с размером зерна около 1 мкм и 0,5 мкм. При этом допустимо нанесение покрытия, содержащего множество промежуточных слоев TiC и/или TiCN.The closest technical solution is carbide parts based on WC-Co or WC-Ni with a multilayer coating according to the patent US 4895770 "Method for the manufacture of carbide parts with a multilayer coating", where the coating contains an intermediate and hardening coating, while the intermediate coating, which serves as a diffusion barrier consists of TiC and / or TiCN, and the reinforcing coating consists of Ti (N, B) with a grain size of about 1 μm and 0.5 μm. The first layer of the intermediate coating consists of TiC, the second layer consists of TiCN with increasing nitrogen concentration and decreasing carbon concentration relative to the outer layer consisting of Ti (C, N), and the reinforcing layer consists of Ti (N, B) with grain size about 1 μm and 0.5 μm. In this case, a coating comprising a plurality of intermediate layers of TiC and / or TiCN is permissible.

Недостатком данного технического решения является высокий коэффициент трения покрытия при обработке сплавов на основе титана и никеля, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик инструмента. Так, например, достигается всего лишь 30%-ное увеличение срока службы инструмента с покрытием Ti (N, В) в сравнении с покрытием из TiN.The disadvantage of this technical solution is the high coefficient of friction of the coating when processing alloys based on titanium and nickel, which leads to a decrease in the operational characteristics of the tool. So, for example, only a 30% increase in tool life is achieved with a Ti (N, B) coating compared to a TiN coating.

Задачей предлагаемого изобретения является создание режущего инструмента с многослойным покрытием, конструктивное выполнение которого позволило бы повысить эксплуатационные характеристики инструмента.The objective of the invention is the creation of a cutting tool with a multilayer coating, the constructive implementation of which would improve the operational characteristics of the tool.

Технический результат - повышение износостойкости режущего инструмента.EFFECT: increased wear resistance of a cutting tool.

Поставленная задача достигается тем, что в режущий инструмент из твердого сплава, содержащий многослойное покрытие, нанесенное методом физического осаждения из паровой фазы, включающее промежуточный слой, служащий диффузионным барьером между режущим инструментом и износоустойчивым покрытием, и износоустойчивое покрытие, дополнительно внесены следующие новые признаки:This object is achieved in that a carbide cutting tool containing a multilayer coating deposited by physical vapor deposition, including an intermediate layer serving as a diffusion barrier between the cutting tool and a wear-resistant coating, and a wear-resistant coating, additionally introduce the following new features:

- первый слой износоустойчивого покрытия, расположенный на промежуточном слое, выполненном из нитридов Al, Ti, Zr, Si, состоит из диборида титана или из окислов циркония или алюминия,- the first layer of wear-resistant coating, located on an intermediate layer made of nitrides Al, Ti, Zr, Si, consists of titanium diboride or oxides of zirconium or aluminum,

- второй адгезионный слой износоустойчивого покрытия представляет собой наноразмерный слой из Ti или Zr, что обеспечивает высокие адгезионные характеристики для поверхностного слоя износоустойчивого покрытия,- the second adhesive layer of the wear-resistant coating is a nanoscale layer of Ti or Zr, which provides high adhesive characteristics for the surface layer of the wear-resistant coating,

- поверхностный слой износоустойчивого покрытия, состоящий из чередующихся нанослоев сверхтвердого аморфного углерода и нанослоев металла из ряда: Ti, Zr, Cr, W, как минимум из двух нанослоев сверхтвердого аморфного углерода и одного расположенного между ними нанослоя металла. Причем внешний нанослой поверхностного слоя состоит из сверхтвердого аморфного углерода, который обладает высокой микротвердостью, инертен по отношению к сплавам на основе титана и никеля, а также к нитриду титана, образующемуся в зоне резания, под воздействием высоких температур. Нанослои сверхтвердого аморфного углерода обладают низкой степенью шероховатости. Сочетание низкой степени шероховатости, химической инертности и высокой твердости уменьшает вероятность привариваемости стружки. Нанослои металла между слоями аморфного углеродного покрытия повышают его эластичность и уменьшают вероятность его скалывания при знакопеременных нагрузках.- a surface layer of a wear-resistant coating, consisting of alternating nanolayers of superhard amorphous carbon and metal nanolayers from the series: Ti, Zr, Cr, W, at least two nanolayers of superhard amorphous carbon and one nanolayer of metal located between them. Moreover, the outer nanolayer of the surface layer consists of superhard amorphous carbon, which has high microhardness, is inert with respect to alloys based on titanium and nickel, and also with titanium nitride formed in the cutting zone under the influence of high temperatures. Nano-layers of superhard amorphous carbon have a low degree of roughness. The combination of a low degree of roughness, chemical inertness and high hardness reduces the likelihood of chip weldability. Nanolayers of metal between layers of an amorphous carbon coating increase its elasticity and reduce the likelihood of its chipping under alternating loads.

Снижение вероятности скалывания за счет повышения эластичности внешнего поверхностного слоя износоустойчивого покрытия из сверхтвердого аморфного углерода при знакопеременных нагрузках обеспечивается благодаря чередованию нанослоев аморфного углеродного покрытия с нанослоями металла из ряда: Ti, Zr, Cr, W.Reducing the likelihood of chipping due to increased elasticity of the outer surface layer of a wear-resistant coating of superhard amorphous carbon under alternating loads is ensured by the alternation of nanolayers of an amorphous carbon coating with metal nanolayers of the series: Ti, Zr, Cr, W.

Промежуточное покрытие на основе нитридов металлов из ряда: Al, Ti, Zr, Si обладает повышенной термостойкостью и играет роль диффузионного барьера между основой и износостойким покрытием.An intermediate coating based on metal nitrides from the series: Al, Ti, Zr, Si has increased heat resistance and plays the role of a diffusion barrier between the base and wear-resistant coating.

Предлагаемая совокупность слоев износоустойчивого многослойного покрытия не выявлена из уровня техники, что подтверждает соответствие критерию «новизна». Из уровня техники не выявлена также известность влияния новых признаков на достигаемый технический результат, что подтверждает соответствие критерию «технический уровень».The proposed set of layers of wear-resistant multilayer coatings is not identified from the prior art, which confirms compliance with the criterion of "novelty." The prior art also does not reveal the popularity of the influence of new features on the achieved technical result, which confirms compliance with the criterion of "technical level".

Соответствие критерию «промышленная применимость» подтверждается примерами осуществления предлагаемого изобретения.Compliance with the criterion of "industrial applicability" is confirmed by examples of implementation of the invention.

Получение заявленного технического результата обеспечивается любым сочетанием составов вышеуказанных слоев покрытия, однако наилучшие результаты достигаются в случае, когдаObtaining the claimed technical result is provided by any combination of the compositions of the above coating layers, however, the best results are achieved when

- адгезионное покрытие между диборидом титана и аморфным углеродным покрытием выполнено на основе титана,- the adhesive coating between titanium diboride and an amorphous carbon coating is made on the basis of titanium,

- адгезионное покрытие между между окислом циркония или алюминия и аморфным сверхтвердым углеродным покрытием выполнено на основе циркония.- the adhesive coating between the zirconium or aluminum oxide and the amorphous superhard carbon coating is made on the basis of zirconium.

Все вышеперечисленные признаки позволяют повысить эксплуатационные характеристики инструмента (срок службы инструмента), а также повысить режимы обработки.All of the above signs can improve the operational characteristics of the tool (tool life), as well as increase the processing modes.

Примеры конкретного использованияCase Studies

Пример 1.Example 1

Режущий инструмент в виде фрезы со сменными пластинами с многослойным покрытием, полученным способом PVD, схематично представлен на фиг.1 и включает инструмент 1 из твердого сплава и многослойное износоустойчивое покрытие, состоящее из промежуточного слоя 2 на основе нитридов алюминия, титана и кремния, первого слоя 3 износоустойчивого покрытия на основе диборида титана, второго адгезионного наноразмерного слоя 4 из титана и поверхностного слоя, состоящего из двух нанослоев 5 и 7 сверхтвердого аморфного углерода, между которыми расположен нанослой 6 из титана.The cutting tool in the form of a cutter with interchangeable inserts with a multilayer coating obtained by the PVD method is shown schematically in Fig. 1 and includes a hard alloy tool 1 and a multilayer wear-resistant coating consisting of an intermediate layer 2 based on aluminum, titanium and silicon nitrides, the first layer 3 wear-resistant coatings based on titanium diboride, a second adhesive nanoscale layer 4 of titanium and a surface layer consisting of two nanolayers 5 and 7 of superhard amorphous carbon, between which is located titanium anolayer 6.

Предварительно с использованием растровой электронной микроскопии исследовали поперечный скол твердосплавной пластины с многослойным покрытием. Толщина промежуточного слоя нитридов алюминия, титана и кремния составляет 1,0 мкм, толщина износоустойчивого слоя диборида титана - 2,0 мкм, толщина адгезионного слоя титана - 70 нм, общая толщина внешнего слоя сверхтвердого аморфного углерода со слоем титана - 200 нм, толщина слоя титана между слоями углерода составила 8 нм.Using transverse electron microscopy, the transverse cleavage of a carbide plate with a multilayer coating was previously studied. The thickness of the intermediate layer of aluminum, titanium and silicon nitrides is 1.0 μm, the thickness of the wear-resistant layer of titanium diboride is 2.0 μm, the thickness of the adhesive layer of titanium is 70 nm, the total thickness of the outer layer of superhard amorphous carbon with a titanium layer is 200 nm, the layer thickness titanium between carbon layers was 8 nm.

Стойкость фрезы, оснащенной сменными твердосплавными пластинами с предлагаемым многослойным покрытием, при обработке титанового сплава ВТ22 составила 80 мин, что на 40% превышает стойкость фрезы с покрытием из TiN.The resistance of a mill equipped with interchangeable carbide inserts with the proposed multilayer coating during processing of VT22 titanium alloy was 80 min, which is 40% higher than the resistance of a mill with a TiN coating.

Пример 2.Example 2

Режущий инструмент в виде фрезы со сменными пластинами с многослойным покрытием, полученным способом PVD, схематично представлен на фиг.2 и включает инструмент 1 из твердого сплава и многослойное износоустойчивое покрытие, состоящее из промежуточного слоя 2 на основе нитридов алюминия, титана и циркония, первого слоя 3 износоустойчивого покрытия на основе окиси циркония, второго адгезионного наноразмерного слоя 4 из циркония, поверхностного слоя, состоящего из двух нанослоев 5 и 7 сверхтвердого аморфного углерода, между которыми расположен нанослой 6 из циркония. Предварительно с использованием растровой электронной микроскопии исследовали поперечный скол твердосплавной пластины с предлагаемым многослойным покрытием. Толщина промежуточного слоя нитридов титана, алюминия и циркония составляет 1,2 мкм, толщина износоустойчивого слоя окиси циркония - 2,1 мкм, толщина адгезионного слоя циркония - 60 нм, общая толщина внешнего слоя сверхтвердого аморфного углерода со слоем циркония - 190 нм, толщина слоя циркония между слоями углерода составила 7 нм.The cutting tool in the form of a milling cutter with interchangeable inserts with a multilayer coating obtained by the PVD method is shown schematically in FIG. 2 and includes a hard alloy tool 1 and a multilayer wear-resistant coating consisting of an intermediate layer 2 based on aluminum, titanium and zirconium nitrides, the first layer 3 wear-resistant coatings based on zirconium oxide, the second adhesive nanosized layer 4 of zirconium, a surface layer consisting of two nanolayers 5 and 7 of superhard amorphous carbon, between which is located nanolayer 6 of zirconium. Previously, using transverse electron microscopy, the transverse cleavage of a carbide plate with the proposed multilayer coating was investigated. The thickness of the intermediate layer of titanium, aluminum and zirconium nitrides is 1.2 μm, the thickness of the wear-resistant layer of zirconium oxide is 2.1 μm, the thickness of the adhesive layer of zirconium is 60 nm, the total thickness of the outer layer of superhard amorphous carbon with a zirconium layer is 190 nm, the layer thickness zirconium between carbon layers was 7 nm.

Стойкость фрезы, оснащенной сменными твердосплавными пластинами с многослойным покрытием, при обработке жаропрочного никелевого сплава ЭИ839 с содержанием Ni - 67%, на 120% превышает стойкость фрезы без покрытия.The resistance of a mill equipped with replaceable carbide inserts with a multilayer coating, when processing heat-resistant nickel alloy EI839 with a Ni content of 67%, exceeds the resistance of a mill without coating by 120%.

Приведенные примеры подтверждают достижение заявленного технического результата даже при условии использования в поверхностном покрытии только одного промежуточного нанослоя металла между двумя нанослоями сверхтвердого аморфного углерода.The above examples confirm the achievement of the claimed technical result, even if only one intermediate nanolayer of metal is used in the surface coating between two nanolayers of superhard amorphous carbon.

Claims (1)

Режущий инструмент из твердого сплава с многослойным покрытием, нанесенным методом физического осаждения из паровой фазы, включающим промежуточный слой, служащий диффузионным барьером между режущим инструментом и износоустойчивым покрытием, и износоустойчивое покрытие, отличающийся тем, что промежуточный слой состоит из нитридов металлов из ряда: Al, Ti, Zr, Si, а износоустойчивое покрытие состоит из первого слоя, расположенного на промежуточном слое и состоящего из диборида титана или окислов циркония или алюминия, второго адгезионного наноразмерного слоя, состоящего из Ti или Zr, и поверхностного слоя, состоящего из чередующихся нанослоев сверхтвердого аморфного углерода и нанослоев металла из ряда: Ti, Zr, Cr, W, причем внешний нанослой поверхностного слоя состоит из сверхтвердого аморфного углерода. A carbide cutting tool with a multilayer coating deposited by physical vapor deposition, including an intermediate layer serving as a diffusion barrier between the cutting tool and a wear-resistant coating, and a wear-resistant coating, characterized in that the intermediate layer consists of metal nitrides from the series: Al, Ti, Zr, Si, and the wear-resistant coating consists of a first layer located on the intermediate layer and consisting of titanium diboride or zirconium or aluminum oxides, the second adhesive equidimensional layer consisting of Ti or Zr, and the surface layer consisting of alternating nanolayers superhard amorphous carbon and metal nano-layers of a series of: Ti, Zr, Cr, W, wherein the outer surface layer nanolayer consists of a superhard amorphous carbon.

Images