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, хрома и циркония при их соотношении, мас.%: титан 78,0-86,0, хром 4,0-6,0, цирконий 12,0-16,0; в качестве промежуточного - нитрид или карбонитрид соединения титана, хрома и циркония при их соотношении, мас.%: титан 73,0-81,0, хром 9,0-11,0, цирконий 12,0-16,0; в качестве верхнего - нитрид или карбонитрид соединения титана и хрома при их соотношении, мас.%: титан 91,5-93,5, хром 6,5-8,5.

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 способа, относится то, что в известном способе наносимое покрытие не обеспечивает такой же высокой эффективности при работе режущего инструмента с этим покрытием в условиях прерывистого резания, в частности, при фрезеровании, как при непрерывном резании.

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 соединения титана и хрома, легированное цирконием TiCrZr, промежуточного слоя нитрида титана, хрома и циркония TiCrZrN и верхнего слоя нитрида соединения титана, хрома TiCrN (Патент на полезную модель RU 50538 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, хрома и циркония при их соотношении, мас.%: титан 78,0-86,0, хром 4,0-6,0, цирконий 12,0-16,0; в качестве промежуточного - нитрид или карбонитрид соединения титана, хрома и циркония при их соотношении, мас.%: титан 73,0-81,0, хром 9,0-11,0, цирконий 12,0-16,0; в качестве верхнего - нитрид или карбонитрид соединения титана и хрома при их соотношении, мас.%: титан 91,5-93,5, хром 6,5-8,5.

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, хрома и циркония при их соотношении, мас.%: титан 78,0-86,0, хром 4,0-6,0, цирконий 12,0-16,0; промежуточного слоя 3, содержащего нитрид или карбонитрид соединения титана, хрома и циркония при их соотношении, мас.%: титан 73,0-81,0, хром 9,0-11,0, цирконий 12,0-16,0; верхнего слоя 4, содержащего нитрид или карбонитрид соединения титана и хрома при их соотношении, мас.%: титан 91,5-93,5, хром 6,5-8,5.

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 симметричном торцовом фрезеровании заготовок из стали 5ХНМ на станке 6Р12. Испытывали твердосплавные пластины марки МК8, обработанные по известному и предлагаемому способам. Режимы резания были следующими: скорость резания V=247 м/мин, подача S=0,4 мм/зуб, глубина резания t=1,5 мм, ширина фрезерования В=20 мм. 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.

Результаты испытаний РИ с покрытием
Материал покрытия	Химический состав слоев покрытия (соотношение металлических компонентов), % маc.	Микротвердость, ГПа	Стойкость, мин	Примечание
1 слой	2 слой	3 слой
Ti	Zr	Cr	Ti	Zr	Cr	Ti	Cr
TiN	-	29,2	45	Аналог
TiCrZr-TiCrZrN-TiCrN	81	14	5	76	14	10	92,5	7,5	38,4	248	Прототип
TiCrZrN-TiCrZrN-TiCrN	82	14	4	77	14	9	93,5	6,5	39,2	285
83	12	5	78	12	10	92,5	7,5	39,7	297
81	14	5	76	14	10	92,5	7,5	40,0	304
79	16	5	74	16	10	92,5	7,5	39,6	297
80	14	6	75	14	11	91,5	8,5	39,1	286
TiCrZrCN-TiCrZrCN-TiCrCN	82	14	4	77	14	9	93,5	6,5	45,6	318
83	12	5	78	12	10	92,5	7,5	46,1	332
81	14	5	76	14	10	92,5	7,5	46,6	347
79	16	5	74	16	10	92,5	7,5	46,2	336
80	14	6	75	14	11	91,5	8,5	45,7	321

Как видно из приведенных в табл.1 данных, стойкость пластин с предложенными многослойными покрытиями повышается в 1,15-1,40 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 использован нитрид или карбонитрид соединения титана, хрома и циркония при их соотношении, мас.%: титан 78,0-86,0, хром 4,0-6,0, цирконий 12,0-16,0, в качестве промежуточного - нитрид или карбонитрид соединения титана, хрома и циркония при их соотношении, мас.%: титан 73,0-81,0, хром 9,0-11,0, цирконий 12,0-16,0, в качестве верхнего - нитрид или карбонитрид соединения титана и хрома при их соотношении, мас.%: титан 91,5-93,5, хром 6,5-8,5.