RU27093U1

RU27093U1 - MULTI-LAYER CUTTING TOOL

Info

Publication number: RU27093U1
Application number: RU2002119866/20U
Authority: RU
Inventors: В.П. Табаков; Н.А. Ширманов; М.Ю. Смирнов; А.В. Рандин
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2003-01-10

Abstract

Режущий инструмент с многослойным покрытием, содержащий инструментальную основу из быстрорежущей стали и нанесенное на нее многослойное износостойкое ионно-плазменное покрытие, состоящее из внешнего основного покрытия нитрида титана и внутреннего адгезионного подслоя, включающего элемент материала покрытия - титан, отличающийся тем, что внешнее основное покрытие содержит дополнительно молибден и выполнено из нитрида титана и молибдена, внутренний адгезионный подслой содержит дополнительно молибден и элемент материала основы - железо и выполнен из нитрида титана, молибдена и железа, а между инструментальной основой и адгезионным подслоем расположен дополнительный подслой из титана, молибдена и железа.A cutting tool with a multilayer coating containing a tool base made of high speed steel and a multilayer wear-resistant ion-plasma coating deposited on it, consisting of an external main coating of titanium nitride and an internal adhesive sublayer comprising an element of the coating material - titanium, characterized in that the external main coating contains additionally molybdenum and made of titanium nitride and molybdenum, the internal adhesive sublayer additionally contains molybdenum and an element of the base material - jelly It is made of titanium nitride, molybdenum and iron, and between the instrumental base and the adhesive sublayer there is an additional sublayer of titanium, molybdenum and iron.

Description

20021Т986620021T9866

ШШШШИШШШШШШцц,,МПК с 23 с 14/32ShShShShShShShShShShtsts ,, IPC from 23 to 14/32

S S

Режущий инструмент с многослойным нокрытиемMulti-coated cutting tools

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.The utility model relates to the field of coating, in particular to coating by evaporation and condensation in a vacuum, and can be used in tool production to obtain wear-resistant coatings on a cutting tool.

Известен режущий инструмент с износостойким ионно-плазменным покрытием TIN, содержащим один слой толщиной 3-8 мкм (см. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. С.252).Known cutting tool with a wear-resistant ion-plasma coating TIN, containing one layer with a thickness of 3-8 μm (see Vereshchak A.S. The performance of the cutting tool with wear-resistant coatings. M .: Mechanical Engineering, 1993. P.252).

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 однослойное покрытие в пределах одного слоя имеет постоянный химический состав и, как следствие этого, неизменяемые физикомеханические свойства. На границе между основой инструмента и покрытием изменение этих свойств носит ярко выраженный ступенчатый характер, что приводит к появлению на указанной границе высокого градиента напряжений, ведущего к снижению прочности сцепления покрытия с инструментальной основой и, как следствие, к снижению стойкости режущего инструмента при его эксплуатации.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using a known coated cutting tool include the fact that in a known coated cutting tool, the applied single-layer coating within one layer has a constant chemical composition and, as a consequence, unchanged physicomechanical properties. At the boundary between the tool base and the coating, a change in these properties has a pronounced stepwise character, which leads to the appearance of a high stress gradient at the specified boundary, leading to a decrease in the adhesion strength of the coating to the tool base and, as a consequence, to a decrease in the resistance of the cutting tool during its operation.

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 из быстрорежущей стали и нанесенное на нее многослойное износостойкое ионно-плазменное покрытие, состоящее из внешнего основного покрытия нитрида титана и внутреннего адгезионного подслоя, включающего элемент материала покрытия - титан (см. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. С.294), принятый за прототип.The closest cutting tool with a coating of the same purpose to the claimed utility model according to the totality of features is a cutting tool with a multilayer coating containing a tool base of high speed steel and a multilayer wear-resistant ion-plasma coating deposited on it, consisting of an external main coating of titanium nitride and an internal adhesive a sublayer comprising an element of the coating material is titanium (see A. Vereshchaka, A. Serviceability of a cutting tool with wear-resistant coatings. M .: Engineering, 1993. S. 294), adopted as a prototype.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного режущего инструмента с многослойным покрытием, принятого за прототип, относится то, что в известном режущем инструменте с многослойным покрытием адгезионный подслой содержит только элемент материала основного покрытия, в результате чего не обеспечивается достаточная прочность сцепления покрытия с инструментальной основой, снижается стойкость режущего инструмента при его эксплуатации.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known cutting tool with a multilayer coating adopted as a prototype include the fact that in the known cutting tool with a multilayer coating, the adhesive sublayer contains only an element of the main coating material, as a result of which sufficient adhesion is not ensured coatings with an instrumental base, the resistance of the cutting tool during its operation is reduced.

Сущность полезной модели заключается в следующем. Наносимое на инструментальную основу из быстрорежущей стали многослойное покрытие состоит из внещнего основного покрытия нитрида титана, содержащего дополнительно молибден и выполненного из нитрида титана и молибдена, внутреннего адгезионного подслоя, содержащего титан, молибден и элемент материала основы - железо и выполненного из нитрида титана, молибдена и железа, а также расположенного между инструментальной основой и адгезионным подслоем дополнительного подслоя из титана, молибдена и железа.The essence of the utility model is as follows. The multilayer coating applied to the tool base from high-speed steel consists of an external main coating of titanium nitride, additionally containing molybdenum and made of titanium nitride and molybdenum, an internal adhesive sublayer containing titanium, molybdenum and an element of the base material - iron and made of titanium nitride, molybdenum and iron, as well as located between the instrumental base and the adhesive sublayer of an additional sublayer of titanium, molybdenum and iron.

Технический результат - повыщение стойкости режущего инструмента.The technical result is an increase in the resistance of the cutting tool.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что известный режущий инструмент с многослойным покрытием содержит инструментальную основу из быстрорежущей стали и нанесенное на нее многослойное износостойкое ионно-плазменное покрытие, состоящее из внещнего основного покрытия нитрида титана и внутреннего адгезионного подслоя, включающего элемент материала покрытия - титан.The specified technical result in the implementation of the utility model is achieved by the fact that the known cutting tool with a multilayer coating contains a tool base made of high speed steel and a multilayer wear-resistant ion-plasma coating deposited on it, consisting of an external main coating of titanium nitride and an internal adhesive sublayer, including an element of the coating material - titanium.

Особенность заключается в том, что внешнее основное покрытие содержит дополнительно молибден и выполнено из нитрида титана и молибдена, внутренний адгезионный подслой содержит дополнительно молибден и элемент материала основы - железо и выполнен из нитрида титана, молибдена и железа, а между инструментальной основой и адгезионным подслоем распоAoo a sfsThe peculiarity lies in the fact that the external main coating additionally contains molybdenum and is made of titanium and molybdenum nitride, the internal adhesive sublayer additionally contains molybdenum and an element of the base material - iron and is made of titanium, molybdenum and iron nitride, and Aoo a sfs

ложен дополнительный подслой из титана, молибдена и железа.an additional sublayer of titanium, molybdenum and iron is false.

Формирование адгезионного подслоя, включающего элементы материалов инструментальной основы и основного покрытия, и дополнительного подслоя из титана, молибдена и железа перед нанесением основного покрытия способствует более плавному изменению физико-механических свойств от покрытия к основе, что приводит к снижению градиента напряжений на границе между основой и покрытием, к повышению прочности сцепления покрытия с инструментальной основой и, как следствие, к увеличению стойкости режущего инструмента при его эксплуатации.The formation of an adhesive sublayer, including elements of the materials of the instrumental base and the main coating, and an additional sublayer of titanium, molybdenum and iron before applying the main coating contributes to a smoother change in the physicomechanical properties from the coating to the base, which leads to a decrease in the stress gradient at the interface between the base and coating, to increase the adhesion strength of the coating to the tool base and, as a consequence, to increase the resistance of the cutting tool during its operation.

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 многослойным покрытием, изложенных в формуле полезной модели.The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the claimed utility model, allowed to establish that the applicant did not find a source characterized by features identical to all the essential features of the claimed utility model, determined from the list of identified analogues of the prototype, as the closest in the totality of the features of the analogue, allowed us to establish a set of significant in relation to perceived by the applicant to the technical result of the distinguishing features in the claimed cutting tool with a multilayer coating, set out in the formula of the utility model.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию новизна.Therefore, the claimed utility model meets the condition of novelty.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели с получением вышеуказанного технического результата:Information confirming the possibility of implementing a utility model with obtaining the above technical result:

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен режущий инструмент с многослойным покрытием.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, which shows a cutting tool with a multilayer coating.

Режущий инструмент с многослойным покрытием содержит инструментальную основу 1 из быстрорежущей стали и нанесенное на нее многослойное покрытие 2. Многослойное покрытие 2 состоит из внешнего основного покрытия нитрида титана и молибдена 3, внутреннего адгезионного подслояThe cutting tool with a multilayer coating contains a tool base 1 made of high speed steel and a multilayer coating 2. A multilayer coating 2 consists of an outer main coating of titanium nitride and molybdenum 3, an internal adhesive sublayer

3olj oif/9 f3olj oif / 9 f

4, включающего элементы материала основного покрытия - титан и молибден и элемент материала основы - железо и выполненного из нитрида титана, молибдена и железа, и дополнительного подслоя 5 из титана, молибдена и железа, расположенного между инструментальной основой 1 и адгезионным подслоем 4.4, including elements of the main coating material - titanium and molybdenum and an element of the base material - iron and made of titanium nitride, molybdenum and iron, and an additional sublayer 5 of titanium, molybdenum and iron, located between the tool base 1 and the adhesive sublayer 4.

Покрытия наносили следующим образом.Coatings were applied as follows.

Покрытия наносили методом КИБ (конденсацией из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой). Неперетачиваемые пластины, изготовленные из быстрорежущей стали Р6М5, размещали в камере установки Булат-бТ с установленными в ней электродуговыми испарителями, материалы катодов которых включают элементы покрытия.The coatings were applied by the CIB method (condensation from the plasma phase in vacuum with ion bombardment). Non-rotatable plates made of P6M5 high-speed steel were placed in the chamber of the Bulat-bT installation with electric arc evaporators installed in it, the cathode materials of which include coating elements.

В пространстве между пластинами и катодом зажигали дуговой разряд для испарения материала катода. Осуществляли конденсацию дополнительного подслоя 5 из титана, молибдена и железа (Ti, Mo, Fe) заданной толщины. Затем в камеру подавали азот для взаимодействия с испаряемым материалом катода. Осуществляли конденсацию адгезионного подслоя 4 из нитрида титана, молибдена и железа (Ti, Mo, Fe)N, содержащего дополнительно элемент материала основы - железо, заданной толщины. Затем осуществляли конденсацию основного покрытия 3 из нитрида титана и молибдена (Ti, Mo)N заданной толщины. После этого подачу азота в камеру прекращали, выключали дуговой разряд. Пластины с нанесенным износостойким покрытием охлаждали в камере до комнатной температуры.An arc discharge was ignited in the space between the plates and the cathode to vaporize the cathode material. An additional sublayer 5 of titanium, molybdenum and iron (Ti, Mo, Fe) of a given thickness was condensed. Then nitrogen was introduced into the chamber for interaction with the evaporated cathode material. The adhesive sublayer 4 was condensed from titanium nitride, molybdenum and iron (Ti, Mo, Fe) N, which additionally contained an element of the base material — iron, of a given thickness. Then, the main coating 3 was condensed from titanium nitride and molybdenum (Ti, Mo) N of a given thickness. After that, the nitrogen supply to the chamber was stopped, the arc discharge was turned off. Wear-resistant plates were cooled in a chamber to room temperature.

Остаточные напряжения в покрытии определяли на рентгеновском дифрактометре ДРОП - 3.The residual stresses in the coating were determined on a DROP - 3 X-ray diffractometer.

Прочность сцепления покрытия с инструментальной основой оценивали методом воздействия импульсного лазерного излучения на лазерной технологической установке «Квант - 15. За критерий оценки адгезионных свойств композиции «покрытие - инструментальная основа был принят коэффициент отслоения Ко, определяемый как отношение площади отслоения покрытия к площади лазерного пятна.The adhesion strength of the coating to the instrumental base was evaluated by the method of exposure to pulsed laser radiation on a Quantum-15 laser technological installation. The peeling coefficient Ko, defined as the ratio of the peeling area of the coating to the area of the laser spot, was taken as a criterion for assessing the adhesive properties of the coating-tool base composition.

Md.(miMd. (Mi

дольном точении заготовок из стали ЗОХГСА на токарном станке 16К20. Пластины устанавливались и закреплялись в державках, которые обеспечивали следующую геометрию рабочей части: у 10°, а 8°, ф 45°, ф1 15°, А, О, г 0. Режимы резания были следующими: скорость резания V 60 м/мин, подача S 0,3 мм/об, глубина резания t 0,75 мм. В качестве СОЖ применяли 5 % - ный водный раствор эмульсола Укринол - 1М. За критерий износа была принята величина фаски износа по задней поверхности 0,4 мм. Эффективность режущего инструмента определяли по величине коэффициента повыщения стойкости, определяемого как отнощение стойкости инструмента с покрытием, состоящим из основного покрытия (Ti, Mo)N, адгезионного подслоя (Ti, Mo, Fe)N и дополнительного подслоя (Ti, Mo, Fe), к стойкости инструмента с покрытием, состоящим из внещнего основного покрытия нитрида титана и внутреннего адгезионного подслоя, включающего элемент материала покрытия - титан.Partial turning of ZOKHGSA steel blanks on a 16K20 lathe. The plates were installed and fixed in the holders, which provided the following geometry of the working part: at 10 °, and 8 °, f 45 °, f1 15 °, A, O, g 0. Cutting modes were as follows: cutting speed V 60 m / min, feed S 0.3 mm / rev, cutting depth t 0.75 mm. As a coolant, a 5% aqueous solution of emulsol Ukrinol - 1M was used. For the wear criterion, the value of the chamfer of wear along the rear surface of 0.4 mm was taken. The effectiveness of the cutting tool was determined by the value of the coefficient of increase in resistance, defined as the ratio of the tool life with a coating consisting of a main coating (Ti, Mo) N, an adhesive sublayer (Ti, Mo, Fe) N and an additional sublayer (Ti, Mo, Fe), the resistance of a tool with a coating consisting of an external main coating of titanium nitride and an internal adhesive sublayer comprising an element of the coating material - titanium.

Величина остаточных напряжений, коэффициент отслоения покрытий и стойкость режущего инструмента с покрытиями приведены в таблице.The value of residual stresses, the coefficient of delamination of the coatings and the resistance of the cutting tool with coatings are shown in the table.

Как видно из таблицы, наличие адгезионного подслоя, включающего элементы материалов инструментальной основы и основного покрытия и выполненного из нитрида титана, молибдена и железа, и дополнительного подслоя из титана, молибдена и железа, расположенного между инструментальной основой и адгезионным подслоем, способствует снижению остаточных напряжений в покрытии, повыщению прочности сцепления покрытия с инструментальной основой (о чем свидетельствует уменьщение коэффициентаAs can be seen from the table, the presence of an adhesive sublayer, including elements of the materials of the instrumental base and the main coating and made of titanium nitride, molybdenum and iron, and an additional sublayer of titanium, molybdenum and iron, located between the instrumental base and the adhesive sublayer, helps to reduce residual stresses in coating, increasing the adhesion strength of the coating to the tool base (as evidenced by a decrease in the coefficient

отслоения) и увеличению стойкости режущего инструмента с многослойным покрытием, состоящим из основного покрытия (Ti, Mo)N, адгезионного подслоя (Ti, Mo, Fe)N и дополнительного подслоя (Ti, Mo, Fe), по сравнению с инструментом с многослойным покрытием, состоящим из внещнего основного покрытия нитрида титана и внутреннего адгезионного подслоя, включающего элемент материала покрытия - титан.peeling) and increase the resistance of a cutting tool with a multilayer coating consisting of a main coating (Ti, Mo) N, an adhesive sublayer (Ti, Mo, Fe) N and an additional sublayer (Ti, Mo, Fe), compared to a tool with a multilayer coating consisting of an external main coating of titanium nitride and an internal adhesive sublayer comprising an element of the coating material - titanium.

Стойкость режущего инструмента с многослойным покрытием, состоящим из основного покрытия (Ti, Mo)N, адгезионного подслоя (Ti, Mo, Fe)N и дополнительного подслоя (Ti, Mo, Fe), повыщается в 2,2 раза по сравнению с инструментом с многослойным покрытием, состоящим из внешнего основного покрытия нитрида титана и внутреннего адгезионного подслоя, включающего элемент материала покрытия титан.The resistance of a cutting tool with a multilayer coating consisting of a main coating (Ti, Mo) N, an adhesive sublayer (Ti, Mo, Fe) N and an additional sublayer (Ti, Mo, Fe) increases 2.2 times compared to a tool with a multilayer coating consisting of an external base coating of titanium nitride and an internal adhesive sublayer comprising an element of a titanium coating material.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного режущего инструмента с многослойным покрытием следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment when using the claimed cutting tool with a multilayer coating of the following set of conditions:

-средство, воплощающее заявленный режущий инструмент с многослойным покрытием при его осуществлении, предназначено для использования в промыщленности, 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;-a tool embodying the claimed cutting tool with a multilayer coating in its implementation, is intended for use in industry, namely in the field of coating, in particular in the field of coating by evaporation and condensation in vacuum, and can be used in tool production for wear-resistant coatings on a cutting tool;

-для заявленного режущего инструмента с многослойным 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;-for the declared cutting tool with a multilayer coating in the form as described in the independent paragraph of the stated utility model formula, the possibility of its implementation using the means and methods described in the application or known prior to the priority date is confirmed;

-средство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- a tool embodying the claimed utility model in its implementation, is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

dM(ifU(.dM (ifU (.

Claims

A multilayer cutting tool containing a tool base made of high speed steel and a multilayer wear-resistant ion-plasma coating deposited on it, consisting of an external main coating of titanium nitride and an internal adhesive sublayer comprising an element of the coating material - titanium, characterized in that the external main coating contains additionally molybdenum and made of titanium nitride and molybdenum, the internal adhesive sublayer additionally contains molybdenum and an element of the base material - jelly It is made of titanium nitride, molybdenum and iron, and between the instrumental base and the adhesive sublayer there is an additional sublayer of titanium, molybdenum and iron.