RU2679857C1 - Method of applying high-temperature coating on cutting tools - Google Patents
Method of applying high-temperature coating on cutting tools Download PDFInfo
- Publication number
- RU2679857C1 RU2679857C1 RU2018102158A RU2018102158A RU2679857C1 RU 2679857 C1 RU2679857 C1 RU 2679857C1 RU 2018102158 A RU2018102158 A RU 2018102158A RU 2018102158 A RU2018102158 A RU 2018102158A RU 2679857 C1 RU2679857 C1 RU 2679857C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- nitrides
- cutting tool
- applying
- thickness
- Prior art date
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims abstract description 25
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 238000007745 plasma electrolytic oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910000997 High-speed steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 6
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 claims description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005555 metalworking Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 18
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 18
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 13
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 13
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- -1 nitride compounds Chemical class 0.000 description 4
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 3
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N Nitric oxide Chemical compound O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- DOTMOQHOJINYBL-UHFFFAOYSA-N molecular nitrogen;molecular oxygen Chemical compound N#N.O=O DOTMOQHOJINYBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical class [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910017150 AlTi Inorganic materials 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000746 Structural steel Inorganic materials 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
- B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
- C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлообработки, а именно, к способам нанесения износостойких высокотемпературных покрытий на инструмент, а именно, на режущий инструмент из быстрорежущей стали или твердого сплава, в том числе на инструмент для железнодорожного транспорта.The invention relates to the field of metalworking, and in particular, to methods for applying wear-resistant high-temperature coatings to a tool, namely, to a cutting tool made of high speed steel or hard alloy, including a tool for railway transport.
Известен способ получения износостойкого покрытия для режущего инструмента, описанный в патенте РФ №2494171, С23С 14/24, С23С 14/06, В23В 27/14 2013 г. Способ включает вакуумное ионно-плазменное нанесение износостойкого покрытия. Нижний слой наносят из нитрида соединения титана, алюминия и циркония при их соотношении, мас. %: титан 71,0-78,3, алюминий 6,7-10,0, цирконий 15,0-19,0. Затем наносят промежуточный слой из карбонитрида соединения титана, алюминия и циркония при их соотношении, мас. %: титан 71,0-78,3, алюминий 6,7-10,0, цирконий 15,0-19,0 и верхний из нитрида соединения титана и алюминия при их соотношении, мас. %: титан 85,0-90,0, алюминий 10,0-15,0. Слои покрытия наносят расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами. Первый и второй катоды выполняют составными из титана и алюминия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и циркония и располагают между ними. Нижний и промежуточный слои наносят с использованием всех трех катодов, а верхний слой - с использованием первого и второго катодов. Недостатком данного метода является низкая стойкость, в связи с окислением нитрида титана при температурах, менее 900°С и снижением твердости покрытия.A known method of obtaining a wear-resistant coating for a cutting tool described in the patent of Russian Federation No. 2494171, C23C 14/24, C23C 14/06, B23B 27/14 2013. The method includes vacuum ion-plasma deposition of a wear-resistant coating. The lower layer is applied from nitride compounds of titanium, aluminum and zirconium at their ratio, wt. %: titanium 71.0-78.3, aluminum 6.7-10.0, zirconium 15.0-19.0. Then put an intermediate layer of carbonitride compounds of titanium, aluminum and zirconium in their ratio, wt. %: titanium 71.0-78.3, aluminum 6.7-10.0, zirconium 15.0-19.0, and the upper nitride compound of titanium and aluminum in their ratio, wt. %: titanium 85.0-90.0, aluminum 10.0-15.0. The coating layers are applied horizontally in the same plane by three cathodes. The first and second cathodes are made of titanium and aluminum and placed opposite to each other, and the third is made of titanium and zirconium and placed between them. The lower and intermediate layers are applied using all three cathodes, and the upper layer is applied using the first and second cathodes. The disadvantage of this method is its low resistance, due to the oxidation of titanium nitride at temperatures below 900 ° C and a decrease in coating hardness.
Известен способ получения износостойкого покрытия, патент РФ №2494172, С23С 14/24, С23С 14/06, 2013 г. Способ включает вакуумное ионно-плазменное нанесение покрытия на основе сложного нитрида металлов с помощью нескольких дуговых испарителей. Нанесение покрытия осуществляют в среде азотокислородной смеси с содержанием кислорода 1÷3 масс. % при давлении 0,07÷0,45 Па с использованием по меньшей мере двух дуговых испарителей, один из которых содержит гафниевый или циркониевый катод, остальные титановые. На поверхности обрабатываемого инструмента образуется покрытие из нитридов титана и гафния (Ti,Hf)N или циркония (Ti,Zr)N, в объеме которого случайно расположены наноразмерные частицы оксидов гафния или циркония. В процессе осаждения покрытия в среде азотокислородной смеси в первую очередь образуются кристаллы HfO2 или ZrO2. Оптимальный диапазон содержания кислорода в реакционной газовой смеси - 1÷3 масс. %. Покрытие обладает высокой твердостью, превышающей почти в 2 раза твердость покрытия из нитридов титана и циркония или гафния.A known method of obtaining a wear-resistant coating, RF patent No. 2494172, C23C 14/24, C23C 14/06, 2013. The method includes vacuum ion-plasma coating based on complex metal nitride using several arc evaporators. The coating is carried out in a nitrogen-oxygen mixture with an oxygen content of 1 ÷ 3 mass. % at a pressure of 0.07 ÷ 0.45 Pa using at least two arc evaporators, one of which contains a hafnium or zirconium cathode, the rest are titanium. A coating of titanium and hafnium nitrides (Ti, Hf) N or zirconium (Ti, Zr) N is formed on the surface of the tool being machined, in the volume of which nanosized particles of hafnium or zirconium oxides are randomly located. In the process of coating deposition in a nitrogen-oxygen mixture, first of all, HfO 2 or ZrO 2 crystals are formed. The optimal range of oxygen content in the reaction gas mixture is 1 ÷ 3 mass. % The coating has a high hardness exceeding almost 2 times the hardness of a coating of titanium and zirconium or hafnium nitrides.
Недостатком данного покрытия является его низкая работоспособность при высоких температурах резания (1000°С-1200°С). Это связано с тем, что наноразмерные частицы оксидов гафния или циркония в покрытии расположены случайно и не образуют сплошного слоя, кроме того покрытие не защищает поверхность материала основы от окисления при действии высоких температур.The disadvantage of this coating is its low performance at high cutting temperatures (1000 ° C-1200 ° C). This is due to the fact that nanosized particles of hafnium or zirconium oxides in the coating are arranged randomly and do not form a continuous layer; moreover, the coating does not protect the surface of the base material from oxidation at high temperatures.
В качестве прототипа выбран способ нанесения покрытия на режущий инструмент (RU 2615941 С1, МПК С23С 28/00, 11.04.2017). Способ включает нанесение на поверхность режущего инструмента в камере ионно-плазменной установки тугоплавкого барьерного слоя из нитридов металлов, с дальнейшим нанесением на этот нитрид слоя из «чистого», не связанного алюминия. На другой установке методом МДО (микродугового оксидирования) «чистый» алюминий окисляют до образования оксидов метастабильных(γ-,θ-,η-, Al2O3) и стабильных (α- Al2O3) модификаций. Нитридный слой толщиной~5 мкм, служит для минимизации проникновения жидкого алюминия к твердосплавной основе, исключения взаимодействия кобальта с алюминием и охрупчивания при меньших толщинах всей композиции. Окисление нитридного слоя в аналоге не предусматривается. Слой «чистого» алюминия толщиной 4-21 мкм оксидируется. При толщине «чистого» алюминия ниже 4 мкм невозможно получить α, γ-Al2O3 модификации. Таким образом, общая толщина покрытия получается ~9-25 мкм.As a prototype, a method for coating a cutting tool was selected (RU 2615941 C1, IPC С23С 28/00, 04/11/2017). The method includes applying a refractory barrier layer of metal nitrides to the surface of a cutting tool in a chamber of an ion-plasma installation, followed by applying a layer of "pure" non-bound aluminum to this nitride. In another installation using the MAO (microarc oxidation) method, “pure” aluminum is oxidized to form oxides of metastable (γ-, θ-, η-, Al 2 O 3 ) and stable (α-Al 2 O 3 ) modifications. The nitride layer with a thickness of ~ 5 μm serves to minimize the penetration of liquid aluminum to the carbide base, to exclude the interaction of cobalt with aluminum and embrittlement at smaller thicknesses of the entire composition. Oxidation of the nitride layer in the analogue is not provided. A layer of "pure" aluminum with a thickness of 4-21 microns is oxidized. With the thickness of "pure" aluminum below 4 microns, it is impossible to obtain α, γ-Al 2 O 3 modifications. Thus, the total coating thickness is obtained ~ 9-25 microns.
Недостатком данного способа является низкая стойкость покрытого инструмента из-за сколов покрытия указанной толщины при ударах на прерывистом резании (фрезеровании) и точении при тяжелых режимах резания (по ползунам, трещинам, неоднородной твердости в пределах детали) при обработке колесных пар и осей железнодорожного транспорта режущими пластинами типа LNMX301940, LNMX191940, RPUX 3010М0, RCMX3010M0, SNMM250724 и др. Кроме того, к недостаткам аналога можно отнести высокую себестоимость нанесения покрытия.The disadvantage of this method is the low durability of the coated tool due to chipping of the coating of the specified thickness during impacts at intermittent cutting (milling) and turning under heavy cutting conditions (by sliders, cracks, non-uniform hardness within the part) when machining wheel sets and axles of railway vehicles with cutting plates of the type LNMX301940, LNMX191940, RPUX 3010М0, RCMX3010M0, SNMM250724, etc. In addition, the disadvantages of the analogue include the high cost of coating.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что на поверхность инструмента наносится нитридное покрытие из материалов группы Al, Ti, Nb, Та, Zr, Cr, Hf, V, Si, так и в их сочетании, толщиной 2-12 мкм. Далее методом МДО осуществляют процесс окисления нитрида(нитридов), их замещение на о оксинитриды и далее на оксиды наносимых материалов, или их комбинации. В отличие от аналога, в разработанном покрытии «чистый» металл (например, алюминий или титан) не наносится, а окисляется нитрид этого металла находящегося в предварительно нанесенном покрытии. Температура в зоне разряда при обработке нитридного покрытия на поверхности инструмента методом МДО, в зависимости от режимов окисления достигает диапазона 1000°-5000°С, этой температуры достаточно для замещения нитрида на оксид металла (обычно в печи-500°С-2000°С). Толщина оксидного и оксинитридного слоя определяется режимами работы установки и временем оксидирования и достигает 0,2-4,0 мкм. На поверхности инструмента по одной из химических реакций замещения, например, нитрида алюминия:The essence of the invention lies in the fact that a nitride coating is applied to the tool surface from materials of the group Al, Ti, Nb, Ta, Zr, Cr, Hf, V, Si, and in their combination, 2-12 microns thick. Then, using the MAO method, the process of oxidation of nitride (nitrides) is carried out, their substitution with oxynitrides and then with oxides of applied materials, or their combination. Unlike the analogue, in the developed coating “pure” metal (for example, aluminum or titanium) is not deposited, but nitride of this metal, which is in the previously applied coating, is oxidized. The temperature in the discharge zone during the treatment of the nitride coating on the tool surface with the MAO method, depending on the oxidation conditions, reaches a range of 1000 ° -5000 ° C, this temperature is sufficient to replace nitride with metal oxide (usually in an oven-500 ° C-2000 ° C) . The thickness of the oxide and oxynitride layer is determined by the operating conditions of the installation and the time of oxidation and reaches 0.2-4.0 microns. On the surface of the instrument according to one of the chemical substitution reactions, for example, aluminum nitride:
образуется сплошной слой Al203 с выделением окисла азота. Полученный сплошной слой Al203 обладает высокой теплостойкостью, инертностью к обрабатываемому материалу, защищает нижележащие слои покрытия от окисления.a continuous layer of Al 2 0 3 is formed with the release of nitric oxide. The obtained continuous layer of Al 2 0 3 has high heat resistance, inertness to the processed material, protects the underlying coating layers from oxidation.
Аналогичный эффект происходит и с другими нитридами материалов (Ti, Nb, Та, Zr, Cr, Hf, V, Si, так и в их сочетании) при окислении посредством метода МДО.A similar effect occurs with other nitrides of materials (Ti, Nb, Ta, Zr, Cr, Hf, V, Si, and in combination) during oxidation using the MAO method.
Технический результат состоит в повышении работоспособности режущего инструмента и его качества. Режущий инструмент содержит материал основы, с нанесенным износостойким покрытием, состоящим, по меньшей мере, из двух-трех слоев. На первом этапе, на установке PVD, на поверхность пластины наносят покрытие из нитридов металлов, как выбранных из группы Al, Ti, Nb, Ta, Zr, Cr, Hf, V, Si, так и в их сочетании. На втором этапе, в установке микродугового оксидирования (МДО) проводят процесс окисления с частичным замещением нитридов на оксиды. По мере получения методом МДО, оксид диффундирует к внешней границе покрытия, образуя сплошной оксидный слой, обладающий высокой теплостойкостью, инертностью к обрабатываемому материалу, защищает нижележащие слои покрытия от окисления.The technical result consists in increasing the efficiency of the cutting tool and its quality. The cutting tool contains a base material with a wear-resistant coating consisting of at least two to three layers. At the first stage, at the PVD installation, a coating of metal nitrides is applied to the plate surface, both selected from the group of Al, Ti, Nb, Ta, Zr, Cr, Hf, V, Si, and in combination. At the second stage, in the installation of microarc oxidation (MAO), an oxidation process is carried out with partial replacement of nitrides by oxides. As obtained by the MAO method, the oxide diffuses to the outer boundary of the coating, forming a continuous oxide layer with high heat resistance, inertness to the material being processed, and protects the underlying coating layers from oxidation.
Пример реализации предлагаемого способаAn example implementation of the proposed method
На первом этапе создания покрытия твердосплавные пластины марки МС221, формо-размера CNMG120408 промывают в ультразвуковой ванне, протирают спиртом и устанавливают на поворотном устройстве в вакуумной камере установки «Ионно-плазменной камерной вакуумной ННВ-6.6-И1» типа «Булат», снабженной тремя испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. Камеру откачивают до давления 1,5-2×10-5 мм.рт.ст., подают аргон до давления 1,5-2×10-3 мм.рт.ст., включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1000-1100 В, включают один испаритель (катод) из титана марки ВТ1 при токе дуги 130 А, производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 750-800 ОС в течение 10-15 мин. Затем снижают отрицательное напряжение до 120 В, включают два противоположных испарителя (катода) - из алюминия, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной от 1-14 мкм в течение 10-180 мин при давлении газа 3×10-3 мм.рт.ст. Температура конденсации при этом составляет 450-500°С. Затем выключают испарители, подачу реакционного газа и вращение поворотного приспособления, осуществляют остывание пластин в течение 45-50 мин.At the first stage of the coating creation, carbide inserts of the MC221 brand, CNMG120408 form-size are washed in an ultrasonic bath, wiped with alcohol and mounted on a rotary device in the vacuum chamber of the Bulat type Ion-plasma chamber vacuum NNV-6.6-I1 unit equipped with three evaporators arranged horizontally in the same plane. The camera is pumped out to a pressure of 1.5-2 × 10-5 mm Hg, argon is fed to a pressure of 1.5-2 × 10-3 mm Hg, the rotator is turned on, a negative voltage of 1000 is applied to it -1100 V, include one evaporator (cathode) of VT1 grade titanium at an arc current of 130 A, perform ion cleaning and heating the plates to a temperature of 750-800 ° C for 10-15 minutes. Then the negative voltage is reduced to 120 V, two opposite evaporators (cathodes) are made of aluminum, reaction gas is supplied to the chamber nitrogen, and a coating with a thickness of 1-14 μm is deposited for 10-180 min at a gas pressure of 3 × 10-3 mm .rt.art. The condensation temperature in this case is 450-500 ° C. Then the evaporators are turned off, the reaction gas supply and the rotation of the rotary device, the plates are cooled for 45-50 minutes.
На втором этапе получают на пластинах слой α-Al2O3 на установке микродугового оксидирования.In a second step, an α-Al 2 O 3 layer is obtained on the wafers in a microarc oxidation unit.
Для этого образцы с нанесенным на него нитридным покрытием устанавливают на токопроводящую оснастку, которую подключают к источнику тока.For this, samples coated with a nitride coating are mounted on a conductive tool, which is connected to a current source.
В ванну заливают щелочной электролит, включают мешалку, которая его перемешивает. Для охлаждения электролита по контуру ванны пускают холодную воду. Ванну, являющуюся катодом, подключают к источнику тока.An alkaline electrolyte is poured into the bath, a stirrer is included, which mixes it. To cool the electrolyte, cold water is introduced along the bath circuit. The cathode bath is connected to a current source.
Образцы на оснастке опускают в электролит. Плотность тока составила 17А/дм2. Время оксидирования 5- 60 мин. По окончании процесса оксидирования образцы достают из ванны, промывают и сушат в сушильном шкафу.Samples on snap immersed in the electrolyte. The current density was 17A / DM 2 . The oxidation time is 5-60 minutes. At the end of the oxidation process, the samples are removed from the bath, washed and dried in an oven.
Стойкостные испытания проводили на токарно-винторезном станке 16К20. В качестве обрабатываемого материала использовалась конструкционная Сталь 50. Режимы резания: V=200 м/мин, S=0,2 мм/об, t=1,0 мм. Проводили испытания твердосплавных пластин CNMG120408-R4 марки МС221, с нанесенным по предлагаемому способу покрытием. За критерий затупления принимался износ по задней грани шириной 0,5 мм.Durability tests were carried out on a screw-cutting machine 16K20. Structural Steel 50 was used as the processed material. Cutting modes: V = 200 m / min, S = 0.2 mm / rev, t = 1.0 mm. Carbide tests of carbide inserts CNMG120408-R4 grade MC221, coated by the proposed method, the coating. As a blunting criterion, wear along the rear face of 0.5 mm wide was taken.
Из приведенных в табл.данных следует, что стойкость пластин с общей толщиной покрытия 2-12 мкм, и оксидным слоем 0,2-4,0 мкм обработанных по предлагаемому способу, выше стойкости серийных пластин с покрытием (AlTi)N.From the data given in the table it follows that the resistance of plates with a total coating thickness of 2-12 μm, and an oxide layer of 0.2-4.0 μm processed by the proposed method, is higher than the resistance of serial plates coated (AlTi) N.
Обработка колесных пар железнодорожного вагонов, проводилась на на колесо-токарном станке 1836М10 на следующих режимах резания: V=35 м/мин, S=1,2 мм/об, t=10,0 мм. Проводили испытания твердосплавных пластин LNMX301940 марки VT430 с нанесенным по предлагаемому способу покрытием (параметры покрытия соответствуют п. 4; п. 5; п. 2 таблицы 1.), по сравнению с пластинами LNMX301940 марки GC4025 фирмы «Sandvik Coromant» (Швеция) и инструмента с серийно применяемым покрытием AlTiN. Результаты испытаний сведены в табл. 2The processing of wheelsets of railway cars was carried out on a 1836M10 wheel-lathe in the following cutting modes: V = 35 m / min, S = 1.2 mm / rev, t = 10.0 mm. Carried out tests of VT430 LNMX301940 carbide inserts coated with the coating according to the proposed method (coating parameters correspond to clause 4; clause 5; clause 2 of table 1.), compared to LNMX301940 plates GC4025 from Sandvik Coromant (Sweden) and tools with commercially available AlTiN coating. The test results are summarized in table. 2
Как следует из анализа результатов испытаний, стойкость инструмента с разработанным покрытием с общей толщиной 2-12 мкм, и оксидным слоем 0,2-4,0 мкм выше, чем стойкость инструмента, изготовленного фирмой «Sandvik Coromant» (Швеция) и отечественного серийного покрытия AlTiN. Стойкость инструмента полученным методом замещения по предлагаемому способу, выше стойкости пластин с покрытием, полученным оксидированием «чистого» алюминия из-за сколов последнего.As follows from the analysis of the test results, the resistance of a tool with a developed coating with a total thickness of 2-12 microns and an oxide layer of 0.2-4.0 microns is higher than the resistance of a tool manufactured by Sandvik Coromant (Sweden) and a domestic serial coating AlTiN. The resistance of the tool obtained by the replacement method according to the proposed method is higher than the resistance of the coated plates obtained by oxidation of "pure" aluminum due to chips of the latter.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018102158A RU2679857C1 (en) | 2018-01-19 | 2018-01-19 | Method of applying high-temperature coating on cutting tools |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018102158A RU2679857C1 (en) | 2018-01-19 | 2018-01-19 | Method of applying high-temperature coating on cutting tools |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2679857C1 true RU2679857C1 (en) | 2019-02-13 |
Family
ID=65442631
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018102158A RU2679857C1 (en) | 2018-01-19 | 2018-01-19 | Method of applying high-temperature coating on cutting tools |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2679857C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2781583C1 (en) * | 2021-12-27 | 2022-10-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые Технологии Покрытий" | Method for applying coating on a metal-cutting tool |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1680799A1 (en) * | 1988-08-26 | 1991-09-30 | Научно-Производственное Объединение Технологии И Оборудования Защитных Покрытий В Автомобильной Промышленности | Wear-resistant multilayer coating |
| US6723391B2 (en) * | 1998-02-17 | 2004-04-20 | Unaxis Balzers Ag | Method for producing cutting tools |
| US6827976B2 (en) * | 1998-04-29 | 2004-12-07 | Unaxis Trading Ag | Method to increase wear resistance of a tool or other machine component |
| RU2615941C1 (en) * | 2015-12-21 | 2017-04-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Procedure for application of coating on hardmetal |
-
2018
- 2018-01-19 RU RU2018102158A patent/RU2679857C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1680799A1 (en) * | 1988-08-26 | 1991-09-30 | Научно-Производственное Объединение Технологии И Оборудования Защитных Покрытий В Автомобильной Промышленности | Wear-resistant multilayer coating |
| US6723391B2 (en) * | 1998-02-17 | 2004-04-20 | Unaxis Balzers Ag | Method for producing cutting tools |
| US6827976B2 (en) * | 1998-04-29 | 2004-12-07 | Unaxis Trading Ag | Method to increase wear resistance of a tool or other machine component |
| RU2615941C1 (en) * | 2015-12-21 | 2017-04-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Procedure for application of coating on hardmetal |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2781583C1 (en) * | 2021-12-27 | 2022-10-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые Технологии Покрытий" | Method for applying coating on a metal-cutting tool |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1470350B (en) | Coating tool | |
| KR100653001B1 (en) | Hard film for cutting tools, cutting tool coated with hard film, process for forming hard film, and target used to form hard film | |
| RU2542185C2 (en) | Cutting tool with multilayer coating | |
| CN108883481B (en) | Coated cutting tool | |
| JP4824173B2 (en) | PVD coated cutting tool and manufacturing method thereof | |
| JP4018480B2 (en) | Coated hard tool | |
| JP5061394B2 (en) | Surface coated cutting tool | |
| US20100135738A1 (en) | coated cutting tool and a method of making thereof | |
| IL172557A (en) | Surface-coated cutting tool | |
| JP5730535B2 (en) | Hard film forming member and hard film forming method | |
| FR2599285A1 (en) | WEAR RESISTANT COATING FOR CUTTING TOOLS AND METHOD FOR APPLYING SAID COATING. | |
| US20180119271A1 (en) | Coated cutting tool and a method for coating the cutting tool | |
| JP4405835B2 (en) | Surface coated cutting tool | |
| JP3914686B2 (en) | Cutting tool and manufacturing method thereof | |
| JP2009061540A (en) | Amorphous carbon film coating tool | |
| JP2004042193A (en) | Coated cutting tool | |
| KR101170396B1 (en) | Hard coating and its production method | |
| RU2679857C1 (en) | Method of applying high-temperature coating on cutting tools | |
| JP2005262389A (en) | Surface-coated cutting tool for processing titanium alloy | |
| JPWO2019171653A1 (en) | Surface coating cutting tool and its manufacturing method | |
| JP3950385B2 (en) | Surface coated cutting tool | |
| JP2009101490A (en) | Surface-coated cutting tool having hard coating layer exerting excellent lubricity and wear resistance in high-speed cutting | |
| JP2009101474A (en) | Surface-coated cutting tool having hard coating layer capable of exhibiting excellent lubricating performance and wear resistance during high-speed cutting | |
| JP2006026783A (en) | Surface covering cutting tool | |
| RU2191220C2 (en) | Wear-resistant coating |