Документ описывает полезную модель режущего инструмента, содержащего режущую часть из твердосплавного материала с многослойным упрочняющим покрытием, состоящим из чередующихся слоев карбида титана и вольфрама. Этот подход направлен на увеличение срока службы инструмента за счет перераспределения механических напряжений и повышения износостойкости по сравнению с существующими аналогами. Основной акцент сделан на преимуществах новой конструкции покрытий, которые предотвращают образование трещин и сколов при эксплуатации.

1. (19) BY (11) 10678
(13) U
(46) 2015.06.30
(51) МПК
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
C 23C 28/00 (2006.01)
(54) РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ
(21) Номер заявки: u 20140470
(22) 2014.12.29
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Латушкина Светлана Дмитри-
евна; Карпович Дмитрий Семенович;
Комаровская Виктория Маратовна;
Емельянов Антон Викторович; Емель-
янов Виктор Андреевич; Сенько Сер-
гей Федорович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-техни-
ческий институт Национальной ака-
демии наук Беларуси" (BY)
(57)
Режущий инструмент, содержащий режущую часть из твердосплавного материала с
нанесенными на нее слоем на основе титана и последующими чередующимися слоями на
основе соединений тугоплавких металлов толщиной 30-200 нм каждый при суммарном
количестве слоев от 4 до 50, отличающийся тем, что упомянутые чередующиеся слои
выполнены из карбидов титана и вольфрама.
(56)
1. Гуляев А.П., Малинина К.А., Саверина С.М. Инструментальные стали: Справочник. -
М.: МАШГИЗ, 1961. - С. 106, 128,152, 163.
2. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. - М.: Металлургия, 3-е изд., 1968. - С. 367-373.
3. Вершина А.К., Агеев В.А. Ионно-плазменные защитно-декоративные покрытия. –
Гомель: ИММС НАНБ, 2001. - С. 22-41, 65-71.
4. Патент РБ 10171, 2007 (прототип).
5. Резников А.Н. Теплофизика резания. - М.: Машиностроение, 1969. - С. 15, 132, 133.
6. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер А.С. Термомеханический подход к системе
взаимосвязей при резании. Резание материалов: - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2011. -
С. 129, 164, 239.
7. Патент РБ 10231, 2014 (прототип).
8. Левинский Ю.В. Титана карбид. Химическая энциклопедия. В 5-и томах. Т. 4. - М.:
Научное издательство "Большая российская энциклопедия", 1995. - С. 592.
9. Пилянкевич А.Н. Вольфрама карбиды. Химическая энциклопедия. В 5-и томах. Т. 1. -
М.: Издательство "Советская энциклопедия", 1988. - С. 420-421.
BY10678U2015.06.30

2. BY 10678 U 2015.06.30
2
Заявляемая полезная модель относится к области машиностроения и может быть ис-
пользована для изготовления и упрочнения режущего инструмента. Срок службы режу-
щего инструмента определяется в основном износостойкостью его режущей части.
Режущую часть обычно выполняют из сплавов на основе железа, в частности из инстру-
ментальных быстрорежущих сталей, легированных вольфрамом и молибденом, содержа-
щих до 2 % ванадия (Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р6МЗ и др.), а также из сталей, легированных
вольфрамом и кобальтом, содержащих свыше 2 % ванадия (Р18Ф2, Р14Ф5, Р9Ф5,
Р10Ф5К5, Р9К5, Р9К10 и др.) [1, 2]. Первую группу относят к сталям нормальной произ-
водительности, а вторую - к сталям повышенной производительности. Высокие эксплуа-
тационные свойства быстрорежущих сталей обеспечиваются благодаря их легированию
вольфрамом, ванадием и молибденом, которые, соединяясь с углеродом, образуют соот-
ветствующие карбиды. Износостойкость быстрорежущих сталей в 3-5 раз выше, чем угле-
родистых и низколегированных.
Основным недостатком инструмента, выполненного из этих сталей, является относи-
тельно низкая устойчивость к абразивному износу. Это связано, с одной стороны, с малым
различием в твердости между материалом инструмента и обрабатываемым материалом, а
с другой - с попаданием инородных частиц, например песка, в зону взаимодействия резца
и материала в процессе резания. Высокая твердость частиц загрязнений приводит к быст-
рому абразивному износу режущей части инструмента.
Наиболее эффективным методом борьбы с абразивным износом инструмента является
нанесение упрочняющих покрытий, характеризующихся высокой твердостью [3]. Для
этих целей используют покрытия на основе соединений тугоплавких металлов, форми-
руемых различными методами. Толщина покрытия определяется видом и назначением ин-
струмента и может составлять от долей микрона до величин порядка мм. Однако, как
правило, такие покрытия характеризуются невысокой адгезией к основанию и в процессе
эксплуатации отделяются от него. Это связано как с отсутствием взаимодействия между
покрытием и основанием, так и с наличием высоких механических напряжений в покры-
тии, обусловленных их кристаллической структурой и способами нанесения. Частичным
решением данной проблемы является использование промежуточных адгезионных слоев.
Известен режущий инструмент, содержащий режущую часть из твердосплавного ма-
териала с нанесенным на нее упрочняющим покрытием, состоящим из комбинированного
подслоя титана с его нитридом, или оксинитридом, или карбооксинитридом, и слоя нит-
рида, или карбида, или оксида, или карбонитрида, или оксикарбида, или оксинитрида, или
карбооксинитрида тугоплавкого металла [4].
По сути, первый слой на основе титана служит для обеспечения требуемой адгезии
второго слоя, который является упрочняющим, поскольку перечисленные соединения ха-
рактеризуются невысокой адгезией к металлическим основаниям и отшелушиваются в
процессе эксплуатации инструмента. Пленки на основе титана обладают превосходной
адгезией к металлам и их сплавам, но характеризуются относительно низкой износостой-
костью. Поэтому принципы, положенные в основу рассматриваемой конструкции режу-
щего инструмента, - адгезионный слой на основе титана плюс упрочняющий слой -
являются типовыми в технике упрочнения.
Недостатком аналога является относительно невысокая коррозионная стойкость при
абразивном износе, обусловленная структурой входящих в него слоев. Конденсированные
пленки титана характеризуются выраженной столбчатой структурой зерен. С увеличением
толщины слоя размер зерен увеличивается как по его толщине (иначе, в длину с образова-
нием столбиков), так и в плане. Это происходит за счет кристаллизации пленки путем по-
давления роста мелких зерен и преимущественного роста наиболее крупных. Поскольку
конденсация слоев покрытия проводится при относительно высокой температуре, после
охлаждения покрытия до комнатной температуры на границах зерен концентрируются
механические напряжения. Причем чем больше размер зерна, тем выше напряжения на
его границах. Это заметно ухудшает прочность сцепления зерен друг с другом за счет

3. BY 10678 U 2015.06.30
3
уменьшения энергии химической связи между атомами различных зерен, приводит к об-
разованию сквозных пор в упрочняющем покрытии, а также повышает химическую ак-
тивность межзеренных границ. Образование пор способствует возникновению очагов
коррозии и ее быстрому распространению. Понижение энергии химической связи между
зернами в покрытии приводит к снижению его прочности и, следовательно, к снижению
износостойкости. Высокая химическая активность межзеренных границ способствует их
быстрому окислению при воздействии агрессивных факторов, т.е. коррозии, и возникно-
вению все новых пор. Упрочняющий слой наследует крупнозернистую структуру адгези-
онного слоя, т.е. форма и размер его зерен являются продолжением формы и размера
зерен адгезионного слоя. Поэтому даже значительное увеличение его толщины не может
устранить рассмотренные недостатки, в целом обуславливающие относительно низкую
коррозионную и износостойкость прототипа.
Кроме того, в процессе эксплуатации инструмент подвергается значительным термо-
циклическим нагрузкам. Известно, что температура в зоне резания может достигать
1000 °С и более [5, 6]. Это приводит к постоянной рекристаллизации структуры с укруп-
нением размера зерна и существенным снижением коррозионной стойкости, обусловлен-
ной быстрым сопутствующим образованием пор в покрытии. В результате срок службы
инструмента сокращается.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, его прототипом является
режущий инструмент, содержащий режущую часть из твердосплавного материала с по-
следовательно нанесенными на нее слоем на основе титана и слоем на основе соединений
тугоплавких металлов толщиной 30-200 нм каждый при суммарном количестве чередую-
щихся слоев от 4 до 50 [7].
Невысокая толщина каждого из слоев защитного покрытия инструмента обеспечивает
минимальный размер его зерна, а чередование слоев препятствует его росту как в процес-
се формирования покрытия, так и при эксплуатации инструмента. В результате коррози-
онная и износостойкость прототипа по сравнению с упомянутыми аналогами существенно
возрастает.
Однако опыт эксплуатации инструмента-прототипа показал, что разрушение упроч-
няющего покрытия при износе протекает сразу на всю его толщину. Это обусловлено вы-
сокими адгезионными характеристиками контактирующих слоев в составе покрытия и
концентрацией механических напряжений на границе раздела покрытие - основание ре-
жущей части. Поэтому при воздействии критических нагрузок на инструмент разрушение
покрытия начинается с расслоения всей структуры именно на этой границе раздела. По
мере увеличения площади расслоения, несмотря на высокую прочность покрытия, в нем
возникают трещины, приводящие к последовательному отделению его фрагментов от ос-
нования и дальнейшему ускоренному износу, что не позволяет достичь максимального
срока службы инструмента.
Задачей заявляемой полезной модели является дальнейшее повышение срока службы
инструмента.
Поставленная задача решается тем, что в режущем инструменте, содержащем режу-
щую часть из твердосплавного материала с нанесенными на нее слоем на основе титана и
последующими чередующимися слоями на основе соединений тугоплавких металлов
толщиной 30-200 нм каждый при суммарном количестве слоев от 4 до 50, упомянутые че-
редующиеся слои выполнены из карбидов титана и вольфрама.
Сущность заявляемого технического решения заключается в перераспределении ме-
ханических напряжений в многослойной структуре защитного покрытия.
Карбид титана по сравнению с чистым титаном или титаном, легированным хромом,
является более хрупким и твердым материалом. Коэффициенты линейного термического
расширения карбида титана и карбида вольфрама составляют 8×10-6
К-1
[8] и 3,9×10-6
К-1
[9] соответственно, т.е. отличаются примерно в два раза. Полиморфные превращения в
условиях эксплуатации в этих соединениях отсутствуют. Поэтому структура карбид тита-

4. BY 10678 U 2015.06.30
4
на - карбид вольфрама по сравнению со структурой легированный титан - карбид вольф-
рама, используемой в прототипе, характеризуется наличием несколько больших механи-
ческих напряжений. Нагрев в процессе эксплуатации покрытия приводит к концентрации
механических напряжений именно на этой границе. Одновременно адгезионное взаимо-
действие между этими слоями, обеспечивающее прочность покрытия в целом, сохраняет-
ся на высоком уровне благодаря общей химической природе. Адгезия же покрытия к
основанию повышается за счет уменьшения напряжений на границе их раздела.
Такая совокупность свойств слоев заявляемого покрытия, как свидетельствуют экспе-
риментальные данные, приводит к тому, что возникающие на поверхности покрытия в ре-
зультате воздействия критических нагрузок микротрещины проникают не внутрь
покрытия, а распространяются вдоль границ раздела карбид титана - карбид вольфрама. За
счет этого скалывание материала покрытия происходит не на всю глубину, а лишь в пре-
делах одного-двух поверхностных слоев. Эти сколы не приводят к обнажению основания
инструмента или возникновению сквозных пор, поэтому защитные свойства покрытия со-
храняются. Вероятность возникновения повторного скола на этом же месте ничтожно ма-
ла, поэтому в целом износостойкость заявляемого покрытия по сравнению с прототипом
существенно возрастает.
Наличие переходных слоев между слоями карбидов снижает уровень механических
напряжений на их границе, что повышает вероятность проникновения микротрещин
вглубь покрытия и приводит к снижению защитных свойств. Поэтому при его формиро-
вании необходимо принять все возможные меры для минимизации толщины переходных
слоев, например путем понижения температуры конденсации, промежуточными откачка-
ми остаточной атмосферы и т.п.
Использование пленки на основе титана в качестве первого слоя упрочняющего по-
крытия заявляемого инструмента обусловлено требованиями по обеспечению необходи-
мой адгезии к основанию, преимущественным материалом для изготовления которого
является инструментальная сталь. Карбиды титана и вольфрама характеризуются заметно
меньшей адгезией к рассматриваемому основанию.
Сущность заявляемого технического решения поясняется фигурой, где приведено
схематическое изображение заявляемого режущего инструмента.
Как видно из фигуры, заявляемый режущий инструмент содержит режущую часть 1,
на которую нанесено упрочняющее покрытие, состоящее из первого адгезионного слоя на
основе титана 2 и большого количества последующих чередующихся слоев карбида тита-
на 3 и карбида вольфрама 4 малой толщины.
Заявляемый режущий инструмент работает следующим образом. При зарождении
микротрещины в поверхностном слое покрытия, в качестве которого может выступать как
слой карбида титана 3, так и слой карбида вольфрама 4, этот слой разрушается на некото-
рую глубину, обусловленную силой внешнего воздействия. Микротрещина проникает через
всю толщину этого поверхностного слоя и достигает границы раздела с контактирующим
нижележащим слоем. Наличие механических напряжений на границе раздела этих слоев
приводит к тому, что химические связи между зернами покрытия, принадлежащими раз-
личным слоям, ослабевают и развитие микротрещины становится энергетически наиболее
выгодным в направлении именно вдоль этой границы раздела. По мере увеличения пло-
щади разрушения часть верхнего слоя покрытия скалывается. Однако покрытие в целом
сохраняет свои защитные свойства, поскольку режущая часть 1 инструмента не обнажает-
ся и не подвергается прямому воздействию агрессивных внешних факторов. Слой на ос-
нове титана 2 выполняет роль адгезионного и предотвращает скалывание покрытия на всю
толщину. В случае же прототипа механические напряжения сконцентрированы на границе
раздела упрочняющее покрытие - режущая часть, поэтому микротрещины, зарождающие-
ся на поверхности покрытия, быстро проникают на всю его глубину, достигают режущей
части, и скалывание происходит на всю толщину покрытия с локальной потерей его за-
щитных свойств.

5. BY 10678 U 2015.06.30
5
Испытание заявляемого инструмента проводили следующим образом. Пленки осаж-
дали на установке УРМ3.279.048, модифицированной встроенной системой сепарации
плазмы при двухкатодном распылении на пластины, изготовленные из стали 12X18H10T,
а также на твердосплавные пластины для деревообрабатывающих фрез. В качестве като-
дов использовали титан и вольфрам. Адгезионный слой на основе титана формировали в
атмосфере аргона, а слои карбидов титана и вольфрама формировали в атмосфере ацети-
лена. При этом вначале проводили ионную очистку основания при потенциале смещения -
1,5 кВ ионами титанового катода в вакууме, затем осаждали слой титана и чередующиеся
слои карбидов титана и вольфрама. Толщины слоев контролировали по времени осажде-
ния, общую толщину упрочняющего покрытия определяли на микроинтерферометре
МИИ-4. Количество слоев и их толщины указаны в таблице.
Коррозионную стойкость полученных покрытий определяли на пластинах из стали по
величине стационарного потенциала коррозии на основании поляризационных измерений
в 3 %-ном растворе NaCl с помощью потенциостата П-5848. Измерения микротвердости
покрытий проводили нанотвердомером Duramin при нагрузке 25 г. Износостойкость оце-
нивали на режущих пластинах по длине пути резца в обрабатываемом материале (ламини-
рованная ДСП) на деревообрабатывающем центре с ЧПУ ROVER B 4.35 фирмы BIESSE.
Испытания проводились при следующих режимах: частота вращения концевой фрезы -
14000 мин-1
, скорость подачи - 6,6 м/мин, снимаемый припуск - 21 мм, подача на резец -
0,47 мм. За критерий износа принимались возникающие дефекты обработки (сколы и др.).
Характер износа инструмента оценивали путем анализа упрочняющего покрытия методом
оптической микроскопии при увеличении до 500 крат. Результаты контроля приведены в
таблице.
Из приведенных данных видно, что заявляемый инструмент по сравнению с прототи-
пом характеризуется заметно большим сроком службы, что обеспечивается принципиаль-
но иным послойным характером скалывания фрагментов упрочняющего покрытия.
Физико-механические характеристики покрытий
№
п/п
Толщина
одного
слоя, нм
Суммарное
количество
слоев
Общая тол-
щина покры-
тия, мкм
Стационар-
ный потен-
циал кор-
розии, мВ
Микро-
твер-
дость,
ГПа
Длина
пути
резца, м
Характер
износа
2 30 20 0,6 95 26 3250
3 100 20 2,0 75 32 3550
4 200 20 4,0 60 32 3500
8 200 4 0,8 100 26 3200
9 30 50 1,5 80 34 3450
послойный износ
за счет скалыва-
ния фрагментов
отдельных слоев
14 прототип 260 25 2400 преимуществен-
ный износ за счет
скалывания фраг-
ментов покрытия
на всю толщину
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.