Режущий инструмент с многослойным покрытием

Авторы патента:

Полезная модель относится к области нанесения покрытий, в частности к нанесению покрытий испарением и конденсацией в вакууме, и предназначена для получения износостойких покрытий на режущем инструменте в инструментальном производстве. Технический результат - повышение стойкости режущего инструмента. Предлагается режущий инструмент с многослойным износостойким покрытием, содержащий инструментальную основу и нанесенное на нее трехслойное износостойкое ионно-плазменное покрытие, в качестве нижнего слоя которого используют нитрид или карбонитрид соединения титана и циркония при их соотношении, мас.%: титан 89,0-92,0, цирконий 8,0-11,0; в качестве промежуточного - нитрид или карбонитрид соединения титана, циркония и хрома при их соотношении, мас.%: титан 82,0-88,0, цирконий 4,0-6,0, хром 8,0-12,0; в качестве верхнего - нитрид или карбонитрид соединения титана, циркония и хрома при их соотношении, мас.%: титан 72,0-80,0, цирконий 12,0-16,0, хром 8,0-12,0.

Полезная модель относится к области нанесения покрытий, в частности к нанесению покрытий испарением и конденсацией в вакууме, и может быть использована в инструментальном производстве для получения износостойких покрытий на режущем инструменте.

Известен режущий инструмент (РИ) с износостойким ионно-плазменным покрытием нитрида титана TiN или карбонитрида титана TiCN, толщиной 3-8 мкм (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 режущего инструмента с покрытием, относится то, что в известном режущем инструменте с покрытием наносимое покрытие имеет относительно низкую твердость, уровень сжимающих напряжений 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 режущим инструментом с покрытием того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является режущий инструмент с многослойным покрытием, содержащий инструментальную основу и нанесенное на нее многослойное ионно-плазменное износостойкое покрытие, состоящее из нижнего слоя нитрида соединения титана и циркония TiZrN и верхнего слоя нитрида соединения титана, циркония и хрома TiZrCrN (Патент на полезную модель RU 59627 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 РИ с покрытием многослойное покрытие обладает недостаточной твердостью, а, следовательно, трещиностойкостью. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам износа и разрушения и быстро разрушается при резании.

Технический результат - повышение стойкости режущего инструмента.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном режущем инструменте с покрытием в качестве нижнего слоя покрытия используют нитрид или карбонитрид соединения титана и циркония при их соотношении, мас.%: титан 89,0-92,0, цирконий 8,0-11,0; в качестве промежуточного - нитрид или карбонитрид соединения титана, циркония и хрома при их соотношении, мас.%: титан 82,0-88,0, цирконий 4,0-6,0, хром 8,0-12,0; в качестве верхнего - нитрид или карбонитрид соединения титана, циркония и хрома при их соотношении, мас.%: титан 72,0-80,0, цирконий 12,0-16,0, хром 8,0-12,0.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели, определенные из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном режущем инструменте с износостойким покрытием, изложенных в формуле полезной модели.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию"новизна".

Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели с получением вышеуказанного технического результата.

Сущность полезной модели заключается в следующем. В предлагаемом режущем инструменте 1 из твердого сплава на поверхность наносят многослойное покрытие, состоящее из нижнего слоя 2, содержащего нитрид или карбонитрид соединения титана и циркония при их соотношении, мас.%: титан 89,0-92,0, цирконий 8,0-11,0; промежуточного слоя 3, содержащего нитрид или карбонитрид соединения титана, циркония и хрома при их соотношении, мас.%: титан 82,0-88,0, цирконий 4,0-6,0, хром 8,0-12,0; верхнего слоя 4, содержащего нитрид или карбонитрид соединения титана, циркония и хрома при их соотношении, мас.%: титан 72,0-80,0, цирконий 12,0-16,0, хром 8,0-12,0.

Покрытия наносили методом КИБ (конденсацией из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой). Предварительно очищенные от загрязнений неперетачиваемые пластины, изготовленные из твердого сплава МК8, размещали в камере установки "Булат-6Т" с установленными в ней катодами, материалы которых включают элементы покрытия. Нанесение покрытия на основе нитрида осуществляли в среде азота, на основе карбонитрида - в смеси азота и ацетилена.

Толщина покрытия составляла 6 мкм. При этом толщина каждого слоя трехслойного покрытия составляла 2 мкм.

Микротвердость покрытий определяли на микротвердомере «ПМТ-3».

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. За критерий износа была принята величина фаски износа по задней поверхности: h₃=0,4 мм.

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

Таблица 1Результаты 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
Тi	Zr	Ti	Cr	Zr	Ti	Cr	Zr
TiN	-	29,2	45	Аналог
TiZrN-TiZrCrN	90,5	9,5	-	76	10	14	38,1	142	Прототип
TiZrN-TiZrCrN-TiZrCrN	92	8	86	10	4	78	10	12	38,4	178
90,5	9,5	87	8	5	78	8	14	38,6	192
90,5	9,5	85	10	5	76	10	14	38,9	206
90,5	9,5	83	12	5	74	12	14	38,6	197
89	11	84	10	6	74	10	16	38,3	184
TiZrCN-TiZrCrCN-TiZrCrCN	92	8	86	10	4	78	10	12	43,3	209
90,5	9,5	87	8	5	78	8	14	44,7	220
90,5	9,5	85	10	5	76	10	14	45,4	231
90,5	9,5	83	12	5	74	12	14	44,5	224
89	11	84	10	6	74	10	16	43,7	209

Как видно из приведенных в табл.1 данных, стойкость пластин с предложенными многослойными покрытиями повышается в 1,3-1,6 раза по сравнению с инструментом с покрытием-прототипом.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного режущего инструмента с износостойким покрытием следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленный режущий инструмент с износостойким покрытием при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области нанесения покрытий, в частности в области нанесения покрытий испарением и конденсацией в вакууме, и может быть использовано в инструментальном производстве для получения износостойких покрытий на режущем инструменте;

- для заявленного режущего инструмента с износостойким покрытием в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- средство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию "промышленная применимость".

Режущий инструмент с многослойным износостойким покрытием, содержащий инструментальную основу и нанесенное на нее трехслойное износостойкое ионно-плазменное покрытие, в качестве нижнего слоя которого используют нитрид или карбонитрид соединения титана и циркония при их соотношении, мас.%: титан 89,0-92,0, цирконий 8,0-11,0; в качестве промежуточного - нитрид или карбонитрид соединения титана, циркония и хрома при их соотношении, мас.%: титан 82,0-88,0, цирконий 4,0-6,0, хром 8,0-12,0; в качестве верхнего - нитрид или карбонитрид соединения титана, циркония и хрома при их соотношении, мас.%: титан 72,0-80,0, цирконий 12,0-16,0, хром 8,0-12,0.