RU2599313C2

RU2599313C2 - Cutting tool with multilayer wear-resistant coating

Info

Publication number: RU2599313C2
Application number: RU2014105746/02A
Authority: RU
Inventors: Николай Васильевич Коробейников; Константин Алексеевич Кошкин
Original assignee: Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России)
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2016-10-10
Also published as: RU2014105746A

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to wear-resistant coatings application on cutting tool, in particular, to coatings application by spraying and condensation in vacuum on hard-alloy cutting tool, and can be used in all fields of machine building, related to mechanical treatment of metals, including treatment of heat-resistant stainless steels and titanium alloys. Cutting tool with multilayer coating on working part comprises tool base made of hard alloy and three-layer wear-resistant coating, wherein bottom adhesive layer is made of titanium nitride, transition layer is from aluminium nitride, titanium and silicon at their ratio, wt%: aluminium 19.56-21.39, titanium 74.72-78.15, silicon 2.29-3.89 and main nano-structured wear-resistant layer is from aluminium nitride, titanium and silicon at their ratio, wt%: aluminium 61.56-62.44, titanium 30.53-31.79, silicon 5.77-7.91.

EFFECT: higher cutting tool resistance and higher finished surface quality of articles made from stainless steel, heat-resistant steels and titanium alloys.

1 cl

Description

Изобретение относится к нанесению износостойких покрытий на режущий инструмент, в частности к нанесению покрытий распылением и конденсацией в вакууме на твердосплавный режущий инструмент.The invention relates to the application of wear-resistant coatings to a cutting tool, in particular to spray coating and condensation in vacuum on a carbide cutting tool.

Изобретение может быть использовано во всех областях машиностроения, связанных с механической обработкой металлов, в том числе обработкой жаропрочных, нержавеющих сталей и титановых сплавов.The invention can be used in all areas of mechanical engineering related to the machining of metals, including the processing of heat-resistant, stainless steels and titanium alloys.

Известно, что дальнейшее развитие машиностроительного производства тесно связано с реализацией высокопроизводительных технологических процессов. Это обуславливает новые требования к режущему инструменту, которые включают в себя, помимо прочности и точности изготовления самого инструмента, способность выдерживать повышенные температурные нагрузки в зоне резания. Для подавляющего числа операций высокопроизводительной обработки резанием требование использования инструмента с износостойким покрытием становится обязательным.It is known that the further development of engineering production is closely related to the implementation of high-performance technological processes. This leads to new requirements for the cutting tool, which include, in addition to the strength and accuracy of manufacturing the tool itself, the ability to withstand high temperature loads in the cutting zone. For the vast majority of high-performance cutting operations, the requirement to use a tool with a wear-resistant coating becomes mandatory.

Основной причиной износа режущего инструмента является разупрочнение в результате действия диффузионных и коррозионно-окислительных процессов, а также образование микротрещин в покрытии и нижележащей твердосплавной основе. Для того чтобы препятствовать этим факторам, покрытие должно обладать высокой твердостью и при этом иметь высокую адгезию к инструментальному материалу.The main cause of wear of the cutting tool is softening as a result of diffusion and corrosion-oxidation processes, as well as the formation of microcracks in the coating and underlying carbide base. In order to prevent these factors, the coating must have high hardness and at the same time have high adhesion to the tool material.

В наибольшей степени всем функциональным требованиям к покрытиям для металлорежущего инструмента отвечают многослойные композиционные покрытия со слоями различного функционального назначения. В особенности, представляют интерес покрытия с наноразмерной структурой. Такие покрытия имеют увеличенные площади межзеренных границ, что обеспечивает интенсивную диссипацию энергии на этих границах, эффективное упрочнение материала покрытия при сохранении достаточной вязкости, высокую устойчивость к зарождению и распространению микротрещин.To the greatest extent, multilayer composite coatings with layers for various functional purposes meet all the functional requirements for coatings for metal cutting tools. In particular, coatings with a nanoscale structure are of interest. Such coatings have enlarged grain boundary areas, which provides intensive energy dissipation at these boundaries, effective hardening of the coating material while maintaining sufficient viscosity, and high resistance to nucleation and propagation of microcracks.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату, взятое за прототип, является композиционное покрытие Al_xTi_1-xN, где х изменяется в пределах 0,52-0,58 (Патент US 8277958, 2012, В32В 9/00), осаждаемое вакуумно-дуговым методом на инструмент из твердого сплава. Средний размер зерна данного покрытия составляет 25 нм, а значение температурной стойкости достигает 800°С. Однако, из-за недостаточно высокой твердости (30 ГПа), температурной стойкости и слабой адгезии нижнего слоя к инструментальной подложке данное покрытие не позволяет достичь требуемого технического результата в условиях резания труднообрабатываемых материалов.The closest in technical solution and the achieved result, taken as a prototype, is a composite coating Al _x Ti _1-x N, where x varies in the range of 0.52-0.58 (Patent US 8277958, 2012, B32В 9/00), deposited vacuum-arc method on a carbide tool. The average grain size of this coating is 25 nm, and the value of temperature resistance reaches 800 ° C. However, due to the insufficiently high hardness (30 GPa), temperature resistance, and poor adhesion of the lower layer to the tool substrate, this coating does not allow achieving the required technical result under conditions of cutting difficult materials.

Технический результат - повышение работоспособности твердосплавного режущего инструмента при работе в тяжелых условиях резания при обработке жаропрочных, нержавеющих сталей и титановых сплавов.The technical result is an increase in the working capacity of carbide cutting tools when working in severe cutting conditions when processing heat-resistant, stainless steels and titanium alloys.

Указанный технический результат достигается тем, что режущий инструмент с многослойным покрытием содержит инструментальную основу из твердого сплава и нанесенное на нее трехслойное покрытие, состоящее из нижнего адгезионного слоя из нитрида титана, переходного слоя из нитридов алюминия, титана и кремния при их соотношении, масс.%: алюминий 19,56-21,39, титан 74,72-78,15, кремний 2,29-3,89, и наноструктурированного основного износостойкого слоя из нитридов алюминия, титана и кремния при их соотношении, масс.%: алюминий 61,56-62,44, титан 30,53-31,79, кремний 5,77-7,91. Толщина адгезионного слоя находится в пределах 0,1-0,2 мкм, переходного слоя 0,3-0,4 мкм, основного износостойкого слоя 1,5-2,5 мкм. Общая толщина покрытия составляет 1,9-3,1 мкм. Твердость покрытия составляет 34-38 ГПа, а средний размер зерна - 2-4 мкм. Температурная стойкость при этом достигает значений 1000°С.The specified technical result is achieved in that the cutting tool with a multilayer coating contains a hard alloy tool base and a three-layer coating deposited on it, consisting of a lower adhesive layer of titanium nitride, a transition layer of aluminum nitride, titanium and silicon at their ratio, wt.% : aluminum 19.56-21.39, titanium 74.72-78.15, silicon 2.29-3.89, and a nanostructured main wear-resistant layer of aluminum nitrides, titanium and silicon at their ratio, wt.%: aluminum 61 56-62.44, titanium 30.53-31.79, silicon 5.77-7.91. The thickness of the adhesive layer is in the range of 0.1-0.2 μm, the transition layer of 0.3-0.4 μm, the main wear-resistant layer of 1.5-2.5 μm. The total coating thickness is 1.9-3.1 microns. The hardness of the coating is 34-38 GPa, and the average grain size is 2-4 microns. The temperature resistance reaches 1000 ° C.

Такая структура покрытия позволяет получить высокую прочность сцепления с основой из-за наличия в покрытии нижнего слоя, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой и переходного слоя, в котором имеется хотя бы один элемент из состава адгезионного слоя и основного износостойкого слоя, что увеличивает прочность связи слоев между собой.Such a coating structure allows to obtain high adhesion to the base due to the presence in the coating of the lower layer having high adhesion to the tool base and a transition layer in which there is at least one element from the composition of the adhesive layer and the main wear-resistant layer, which increases the bond strength of the layers between themselves.

Для выявления преимущества предлагаемого в данном изобретении покрытия было нанесено покрытие - прототип, согласно известному способу, а также покрытие по предлагаемому изобретению. Покрытия наносили на установке вакуумно-дугового осаждения покрытий на цельнотвердосплавные фрезы, предназначенные для обработки жаропрочных, нержавеющих сталей и титановых сплавов.To identify the benefits proposed in this invention, the coating was coated - a prototype, according to a known method, as well as a coating according to the invention. Coatings were applied on a vacuum-arc deposition apparatus for coatings on all-carbide milling cutters designed for processing heat-resistant, stainless steels and titanium alloys.

Результатом применения предлагаемого изобретения при обработке стали 12Х18Н10Т стало увеличение среднего периода стойкости фрезы диаметром 10 мм с предлагаемой моделью покрытия (AlTiSiN) на 27% по сравнению со средним периодом стойкости аналогичной фрезы с покрытием - прототипом (AlTiN). Кроме этого, применение данного изобретения позволило увеличить скорость резания на 18%.The result of the application of the present invention in the processing of steel 12X18H10T was an increase in the average durability period of a mill with a diameter of 10 mm with the proposed coating model (AlTiSiN) by 27% compared with the average durability period of a similar coated mill - prototype (AlTiN). In addition, the use of this invention allowed to increase the cutting speed by 18%.

Claims

A cutting tool with a multilayer coating on the working part, containing a hard alloy tool base and a three-layer wear-resistant coating, characterized in that the lower adhesive layer is made of titanium nitride, a transition layer of aluminum nitride, titanium and silicon at their ratio, wt.%: aluminum 19.56-21.39, titanium 74.72-78.15, silicon 2.29-3.89 and the main nanostructured wear-resistant layer made of aluminum nitride, titanium and silicon at their ratio, wt.%: aluminum 61, 56-62.44, titanium 30.53-31.79, silicon 5.77-7.91.