Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2465370

(19)

RU

(11)

2465370

(13)

C1

(51) МПК C23C14/06 (2006.01)

C23C14/24 (2006.01)

B23B27/14 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 17.10.2012 - нет данных Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011120716/02, 20.05.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

20.05.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 20.05.2011

(45) Опубликовано: 27.10.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: RU 59604 U1, 10.06.2006. RU 2269604 C1, 10.02.2006. RU 2413786 C1, 10.03.2009. EP 2168702 A2, 31.01.2010. EP 846784 B1, 08.09.2004.

Адрес для переписки:

432027, г.Ульяновск, б-р Северный Венец, 32, Ульяновский государственный технический университет, проректору по научной работе

(72) Автор(ы):

Табаков Владимир Петрович (RU),

Чихранов Алексей Валерьевич (RU),

Власов Станислав Николаевич (RU),

Смирнов Максим Юрьевич (RU),

Романов Александр Александрович (RU),

Осипов Максим Анатольевич (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" (RU)

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

(57) Реферат:

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение в среде реакционного газа сначала нижнего слоя из нитрида или карбонитрида соединения титана и алюминия при их соотношении, мас.%: титан 85,0-90,0, алюминий 10,0-15,0; затем наносят промежуточный слой из нитрида или карбонитрида соединения титана, алюминия и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 85,5-90,5, алюминий 6,0-10,0, молибден 3,5-4,5, и верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана, алюминия и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 75,5-82,5, алюминий 14,0-20,0, молибден 3,5-4,5. Нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и алюминия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и второго катодов, промежуточный слой - с использованием первого и третьего катодов, верхний слой - с использованием второго и третьего катодов. В результате реализации способа получают многослойное покрытие, повышающее работоспособность режущего инструмента. 1 табл.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.

Известен способ повышения стойкости режущего инструмента (РИ), при котором на его поверхность вакуумно-плазменным методом наносят износостойкое покрытие (ИП) 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, 123 с.). К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе покрытия имеют относительно низкие твердость и недостаточную прочность сцепления с инструментальной основой. 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.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ нанесения многослойного покрытия, раскрытый в описании к патенту на полезную модель RU 59604 U1, принятый за прототип.

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, а следовательно, трещиностойкостью. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам износа и разрушения и быстро разрушается при резании.

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, увеличение твердости нижнего слоя покрытия также способствует дополнительному снижению интенсивности износа РИ с многослойным покрытием. Повышение прочности сцепления слоев обеспечивается за счет нанесения промежуточного слоя из элементов верхнего и нижнего слоев. Этот слой обладает высоким химическим сродством с другими слоями, высокой твердостью. Промежуточный слой также способствует повышению трещиностойкости за счет появления дополнительных границ между слоями.

Технический результат - повышение работоспособности РИ.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что наносят нижний слой из нитрида или карбонитрида соединения титана и алюминия при их соотношении, мас.%: титан 85,0-90,0, алюминий 10,0-15,0; промежуточный - из нитрида или карбонитрида соединения титана, алюминия и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 85,5-90,5, алюминий 6,0-10,0, молибден 3,5-4,5; верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана, алюминия и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 75,5-82,5, алюминий 14,0-20,0, молибден 3,5-4,5, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и алюминия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и второго катодов, промежуточный слой - с использованием первого и третьего катодов, верхний слой - с использованием второго и третьего катодов.

Такая структура покрытия позволяет получить высокую прочность сцепления с основой из-за наличия в покрытии нижнего слоя, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой. При этом слои обладают высокой твердостью из-за дополнительного легирования материала слоев покрытий и наличию в их структуре микрослоистости, получаемой при нанесении покрытий по предлагаемой схеме расположения катодов.

Сущность изобретения заключается в следующем. В покрытии при резании происходят процессы трещинообразования, приводящие к его разрушению. Кроме того, из-за недостаточной прочности сцепления с инструментальной основой и слоев внутри многослойного покрытия возможно разрушение последнего в результате адгезионно-усталостных явлений на контактных площадках. В этих условиях покрытие должно иметь слоистую структуру для торможения трещин. Нижний слой покрытия должен обладать высокой адгезией с инструментальным материалом. Слои покрытия должны 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.

Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанной технологии получения, показали более низкие результаты.

Для экспериментальной проверки заявленного способа было нанесено покрытие-прототип с соотношением слоев, соответствующим оптимальному значению, указанному в известном способе, а также двухслойное покрытие по предлагаемому способу.

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. Используются расположенные противоположно друг другу первый и второй составные катоды из титана и алюминия, и третий составной катод из титана и молибдена, расположенный между ними. Камеру откачивают до давления 6,65·10 -3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают один катод и при токе дуги 100 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°C. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем при отрицательном напряжении 160 B, токе катушек 0,3 A и подаче реакционного газа - азота (или смеси азота и ацетилена) включают первый (из титана и алюминия) и второй (из титана и алюминия) катоды и осаждают нижний слой покрытия TiAlN (или TiAlCN) толщиной 2,0 мкм. Промежуточный слой покрытия TiAlMoN (или TiAlMoCN) толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А и включенных первом (из титана и алюминия) и третьем (из титана и молибдена) катодах и подаче реакционного газа - азота (или смеси азота и ацетилена). Верхний слой покрытия TiAlMoN (или TiAlMoCN) толщиной 2,0 мкм наносят при отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А, включенных втором (из титана и алюминия) и третьим (из титана и молибдена) катодах и подаче реакционного газа - азота (или смеси азота и ацетилена). Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Микротвердость покрытий определяли на микротвердомере «ПМТ-3» под нагрузкой 100 г.

Стойкостные испытания режущего инструмента проводили при продольном точении заготовок из стали 30ХГСА на токарном станке 16К20. Режимы резания: скорость резания V=180 м/мин, подача S=0,15 мм/об, глубина резания t=0,5 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.

В табл.1 приведены результаты испытаний РИ с полученными покрытиями.

Таблица 1

Результаты испытаний РИ с покрытием

Материал покрытия

Химический состав слоев покрытия (соотношение металлических компонентов), % мас.

Микротвердость, ГПа

Стойкость, мин

Примечание

1 слой

2 слой

3 слой

Ti

Al

Ti

MO

Al

Ti

MO

Al

TiN

-

29,2

45

Аналог

TiAlN-TiAlMoN

87,5

12,5

-

79

4

17

36,1

134

Прототип

TiAlN-TiAlMoN-TiAlMoN

90

10

90

4

6

82

4

14

36,5

164

87,5

12,5

88,5

3,5

8

79,5

3,5

17

36,8

173

87,5

12,5

88

4

8

79

4

17

37,0

181

87,5

12,5

87,5

4,5

8

78,5

4,5

17

36,7

175

85

15

86

4

10

76

4

20

36,4

167

TiAlCN-TiAlMoCN-TiAlMoCN

90

10

90

4

6

82

4

14

43,6

190

87,5

12,5

88,5

3,5

8

79,5

3,5

17

44,2

196

87,5

12,5

88

4

8

79

4

17

44,8

204

87,5

12,5

87,5

4,5

8

78,5

4,5

17

44,2

194

85

15

86

4

10

76

4

20

43,5

188

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 1,3-1,6 раза.

Формула изобретения

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, отличающийся тем, что наносят нижний слой из нитрида или карбонитрида соединения титана и алюминия при их соотношении, мас.%: титан 85,0-90,0, алюминий 10,0-15,0; промежуточный - из нитрида или карбонитрида соединения титана, алюминия и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 85,5-90,5, алюминий 6,0-10,0, молибден 3,5-4,5; верхний - из нитрида или карбонитрида соединения титана, алюминия и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 75,5-82,5, алюминий 14,0-20,0, молибден 3,5-4,5, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый и второй из которых выполняют составными из титана и алюминия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними, причем нижний слой наносят с использованием первого и второго катодов, промежуточный слой - с использованием первого и третьего катодов, верхний слой - с использованием второго и третьего катодов.