RU2717132C1 - Method of producing multilayer coating for cutting tools - Google Patents

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to application of wear-resistant coatings on a cutting tool and can be used in metalworking. Vacuum plasma sandwiched coating is applied. First, bottom layer of niobium nitride is applied. Then upper layer of nitride of niobium, zirconium and chrome is applied at their ratio, wt%: niobium 55.0, zirconium 34.0–38.0, chromium 7.0–11.0. Coating layers are applied by three cathodes arranged horizontally in one plane, the first and second of which are made of niobium and are located opposite to each other, and the third one is made of zirconium and chromium compound and placed between them, wherein lower layer is applied using first and second cathodes, and upper layer is using said three cathodes.

EFFECT: higher efficiency of cutting tool and reduced time of coating application.

1 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.The invention relates to methods for applying wear-resistant coatings to a cutting tool and can be used in metalworking.

Известен способ повышения стойкости режущего инструмента (РИ), при котором на его поверхность вакуумно-плазменным методом наносят износостойкое покрытие (ИП) из нитрида титана и ниобия (NbTiN) (см. патент на изобретение RU 2640693 С1). К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе покрытия имеют относительно низкую твердость и адгезионную прочность. В результате этого покрытие в большей мере подвергается износу, в нем быстро зарождаются и распространяются трещины, приводящие к разрушению покрытия, что снижает стойкость РИ с покрытием.A known method of increasing the resistance of a cutting tool (RI), in which a wear-resistant coating (PI) of titanium nitride and niobium (NbTiN) is applied on its surface using a vacuum-plasma method (see patent for invention RU 2640693 C1). The reasons that impede the achievement of the following technical result when using the known method include the fact that in the known method, the coatings have relatively low hardness and adhesive strength. As a result of this, the coating undergoes more wear and tear, cracks quickly nucleate and propagate in it, leading to the destruction of the coating, which reduces the resistance of the RI with the coating.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ нанесения многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида ниобия NbN и верхнего слоя нитрида титана, циркония и ниобия TiZrNbN (см. патент на изобретение RU 2622532 С1), принятый за прототип.The closest method of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a method of applying a multilayer coating consisting of a lower layer of niobium nitride NbN and an upper layer of titanium nitride, zirconium and niobium TiZrNbN (see patent for invention RU 2622532 C1), adopted as a prototype.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного режущего инструмента с покрытием, принятого за прототип, относится то, что в известном способе многослойное покрытие обладает недостаточной твердостью и величиной сжимающих остаточных напряжений. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам износа и разрушения и быстро разрушается при резании.For reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using a known cutting tool with a coating adopted as a prototype, the multilayer coating in the known method has insufficient hardness and compressive residual stresses. As a result, the coating poorly resists the processes of wear and fracture and quickly collapses when cutting.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата также относится недостаточная эффективность использования технологической схемы нанесения покрытия: при осаждении нижнего слоя покрытия используется только один из трех катодов, что снижает скорость нанесения покрытия и увеличивает время технологической операции, и как следствие материальные издержки (затраты на электроэнергию, оплату труда и т.д.).The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below also include the insufficient efficiency of using the technological scheme of coating: when deposition of the lower coating layer, only one of the three cathodes is used, which reduces the speed of coating and increases the time of the technological operation, and as a result material costs (costs for electricity, remuneration, etc.).

Повышение в последнее время стоимости металлорежущего инструмента и ужесточение требований к точности обрабатываемых деталей сделало еще более актуальной проблему повышения стойкости РИ. Одним из путей повышения стойкости и, как следствие, работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа со слоями с различными физико-механическими свойствами. Наличие в покрытии верхнего слоя, обладающего высокой твердостью, способствует снижению интенсивности износа РИ с многослойным покрытием. Для повышения прочности сцепления покрытия с инструментальной основой оно должно иметь в своем составе нижний слой с повышенными адгезионными свойствами. Кроме того, повышение уровня сжимающих остаточных напряжений и создание микрослоистости в верхнем слое покрытия приводит к увеличению его твердости и трещиностойкости и, как следствие, работоспособности РИ с покрытием.Recently, the increase in the cost of metal-cutting tools and stricter requirements for the accuracy of machined parts have made the problem of increasing the resistance of radiation sources even more urgent. One of the ways to increase the resistance and, as a consequence, the health of RI with a coating is to apply coatings of a multilayer type with layers with different physical and mechanical properties. The presence in the coating of the upper layer having high hardness, helps to reduce the wear rate of radiation with multilayer coatings. To increase the adhesion of the coating to the tool base, it should include a lower layer with enhanced adhesive properties. In addition, an increase in the level of compressive residual stresses and the creation of microlayers in the upper layer of the coating leads to an increase in its hardness and crack resistance and, as a result, the working capacity of RI coated.

Технический результат - повышение работоспособности РИ и сокращение времени нанесения покрытия.The technical result is an increase in the efficiency of RI and a reduction in the time of coating.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что наносят нижний слой из нитрида ниобия и верхний из нитрида соединения ниобия, циркония и хрома при их соотношении, мас. %: ниобий 55,0, цирконий 34,0-38,0, хром 7,0-11,0, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют из ниобия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из циркония и хрома и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и второго катодов, а верхний слой - с использованием всех трех катодов.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by applying a lower layer of niobium nitride and an upper layer of a nitride compound of niobium, zirconium and chromium in their ratio, wt. %: niobium 55.0, zirconium 34.0-38.0, chromium 7.0-11.0, and the coating layers are applied horizontally in the same plane by three cathodes, the first and second of which are made of niobium and are located opposite to each other friend, and the third is made composite of zirconium and chromium and placed between them, with the lower layer being applied using the first and second cathodes, and the upper layer using all three cathodes.

Такая структура покрытия позволяет получить высокую прочность сцепления с основой из-за наличия в покрытии нижнего слоя нитрида ниобия, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой. При этом верхний слой обладает высокой твердостью из-за дополнительного легирования материала слоя и наличию в их структуре микрослоистости, получаемой при нанесении покрытий с использованием предлагаемой схемы расположения катодов.This coating structure allows to obtain high adhesion to the base due to the presence in the coating of the lower layer of niobium nitride, which has high adhesion to the tool base. Moreover, the upper layer has high hardness due to the additional alloying of the material of the layer and the presence in their structure of microlayers obtained by coating using the proposed cathode arrangement.

Сущность изобретения заключается в следующем. В покрытии при резании происходят процессы трещинообразования, приводящие к его разрушению. В этих условиях покрытие должно иметь слоистую структуру для торможения трещин. Нижний слой покрытия должен обладать высокой адгезией с инструментальным материалом. Слои покрытия должны иметь высокие остаточные сжимающие напряжения и обладать высокой твердостью для повышения износо- и трещиностойкости. При этом слои многослойного покрытия должны иметь высокую прочность связи между собой, что обеспечивается их высоким сродством друг с другом из-за наличия общих элементов.The invention consists in the following. During cutting, cracking processes occur in the coating, leading to its destruction. Under these conditions, the coating should have a layered structure to inhibit cracks. The bottom layer of the coating must have high adhesion to the tool material. The coating layers should have high residual compressive stresses and have high hardness to increase wear and crack resistance. Moreover, the layers of the multilayer coating should have high bond strength between each other, which is ensured by their high affinity for each other due to the presence of common elements.

Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанной технологии получения, показали более низкие результаты.Coated plates obtained with deviations from the indicated production technology showed lower results.

Для экспериментальной проверки заявленного способа было нанесено покрытие-прототип, а также двухслойное покрытие по предлагаемому способу.For experimental verification of the claimed method, a prototype coating was applied, as well as a two-layer coating according to the proposed method.

Нанесение предлагаемого покрытия осуществляется следующим образом. 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 катодами, расположенными горизонтально в одной плоскости. При нанесении покрытия используют первый катод, изготовленный из ниобия, второй - из ниобия и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из циркония и хрома и располагают между ними.The proposed coating is as follows. MK8 carbide inserts (4.7 × 12 × 12 mm in size) are washed in an ultrasonic bath, wiped with acetone, alcohol and mounted on a rotary device in the vacuum chamber of the Bulat-6 installation equipped with three cathodes located horizontally in the same plane. When applying the coating, the first cathode made of niobium is used, the second is made of niobium and is opposite to the first, and the third is made of zirconium and chromium and placed between them.

Камеру откачивают до давления 6,65⋅10^-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают третий катод и при токе дуги 100 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°С. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и подаче реакционного газа - азота включают первый и второй катоды и осаждают нижний слой покрытия NbN толщиной 4,0 мкм. Верхний слой покрытия NbZrCrN толщиной 2,0 мкм наносят с использованием всех трех катодов при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и подаче реакционного газа азота. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.The chamber is pumped out to a pressure of 6.65⋅10 ^-3 Pa, the rotary device is turned on, a negative voltage of 1.1 kV is applied to it, the third cathode is turned on, and at an arc current of 100 A, the plates are cleaned and heated to a temperature of 560-580 ° C. The focusing coil current is 0.4 A. Then, at a negative voltage of 160 V, a coil current of 0.3 A and a supply of reaction gas — nitrogen, the first and second cathodes are turned on and the lower NbN coating layer is deposited 4.0 μm thick. The upper layer of the NbZrCrN coating with a thickness of 2.0 μm is applied using all three cathodes at a negative voltage of 160 V, a coil current of 0.3 A, and a reaction gas of nitrogen. Then shut off the evaporators, the supply of reaction gas, voltage and rotation of the device. After 15-20 minutes, the chamber is opened and the coated tool is removed.

Микротвердость покрытий определяли на микротвердомере «ПМТ-3» под нагрузкой 100 г. Остаточные напряжения определяли на рентгеновском дифрактометре «ДРОН-3М» с использованием фильтрованного Cu_Kα-излучения. Прочность адгезии покрытия с инструментальной основой оценивали методом вдавливания алмазного конического индентора (конус Роквелла) с использованием твердомера ТК-2М при нагрузке 1000 Н. Прочность сцепления определяли по коэффициенту отслоения, равному отношению площади отслоения покрытия вокруг отпечатка от индентора к площади отпечатка.The microhardness of the coatings was determined on a PMT-3 microhardness meter under a load of 100 g. Residual stresses were determined on a DRON-3M X-ray diffractometer using filtered Cu _Kα radiation. The adhesion strength of the coating with the tool base was evaluated by the indentation of a diamond conical indenter (Rockwell cone) using a TK-2M hardness tester with a load of 1000 N. The adhesion strength was determined by the peeling coefficient equal to the ratio of the peeling area of the coating around the indent from the indenter to the indent area.

Стойкостные испытания режущего инструмента проводили при продольном точении заготовок из стали 30ХГСА на токарном станке 16К20. Режимы резания: скорость резания V = 160 м/мин, подача S = 0,3 мм/об, глубина резания t = 1,0 мм, обработка производилась без применения СОЖ. Испытывали твердосплавные пластины марки МК8, обработанные по известному и предлагаемому способам. Критерием износа служила фаска износа по задней поверхности шириной 0,4 мм.Durable tests of the cutting tool were carried out with the longitudinal turning of blanks made of 30KhGSA steel on a 16K20 lathe. Cutting modes: cutting speed V = 160 m / min, feed S = 0.3 mm / rev, cutting depth t = 1.0 mm, processing was performed without the use of coolant. Tested carbide inserts grade MK8, processed by the known and proposed methods. The wear criterion was a chamfer of wear on the back surface with a width of 0.4 mm.

В табл. 1 приведены результаты испытаний РИ с полученными покрытиями.In the table. 1 shows the test results of RI with the obtained coatings.

Как видно из приведенных в таблице 1 данных, стойкость пластин, с покрытиями, нанесенными по предлагаемому способу, выше стойкости пластин с покрытием, нанесенным по способу-прототипу в 1,28 раза. При этом время осаждения покрытия сократилось в 1,2 раза.As can be seen from the data in table 1, the resistance of the plates with the coatings deposited by the proposed method is higher than the resistance of the plates with the coating deposited by the prototype method by 1.28 times. Moreover, the deposition time of the coating was reduced by 1.2 times.

Claims (1)

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, отличающийся тем, что наносят нижний слой из нитрида ниобия и верхний слой из нитрида соединения ниобия, циркония и хрома при их соотношении, мас. %: ниобий 55,0, цирконий 34,0-38,0, хром 7,0-11,0, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют из ниобия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из циркония и хрома и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и второго катодов, а верхний слой - с использованием указанных трех катодов.A method of obtaining a multilayer coating for a cutting tool, including vacuum-plasma deposition of a multilayer coating, characterized in that a lower layer of niobium nitride and an upper layer of a nitride of a compound of niobium, zirconium and chromium are applied at their ratio, wt. %: niobium 55.0, zirconium 34.0-38.0, chromium 7.0-11.0, and the coating layers are applied horizontally in the same plane by three cathodes, the first and second of which are made of niobium and are located opposite to each other friend, and the third is made composite of zirconium and chromium and placed between them, with the lower layer being applied using the first and second cathodes, and the upper layer using these three cathodes.