powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2018-4-104-109powder-410Research ArticleНаноструктурированные материалы и функциональные покрытияNanostructured Materials and Functional CoatingsТвердосплавный режущий инструмент с покрытием из нитрида кремнияCemented carbide cutting tools coated with silicon nitrideПановВ. С.PanovV. S.

Докт. техн. наук, профессор кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий.

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4.

Dr. Sci. (Tech.), prof., Department of powder metallurgy and functional coatings.

119049, Russia, Moscow, Leninskii pr., 4.

zeinalova@rambler.ruНациональный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС».РоссияNational University of Science and Technology «MISIS».Russian Federation20181512201804104109Copyright © Панов В.С., 20182018Панов В.С.Panov V.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/410

Приведена технология получения износостойкого покрытия из нитрида кремния на твердосплавном режущем инструменте. Рассмотрены факторы, влияющие на структуру и толщину покрытия. Дан обзор отечественных и зарубежных работ по свойствам и областям применения твердых сплавов в качестве режущего, бурового, штампового инструментов, износостойких материалов, для бесстружковой обработки материалов, древесины, пластмасс. Отмечено, что одним из основных путей совершенствования режущего инструмента является использование многогранных неперетачиваемых пластин с износостойким покрытием. Обоснована причина выбора нитрида кремния в качестве материала покрытия для твердосплавного инструмента. Представлены данные по методам нанесения покрытия из нитрида кремния, исследованию структуры и свойств режущего инструмента. Лабораторные и заводские испытания режущего инструмента с покрытием из нитрида кремния показали целесообразность применения последнего для повышения стойкости и срока службы режущих пластин.

The paper describes the technology of producing a wear resistant silicon nitride coating on cemented carbide cutting tools and factors affecting its structure and thickness. A review of domestic and foreign authors’ works is given on the properties and applications of cemented carbides in cutting, drilling, die stamping tools, wear resistant materials, for chipless processing of wood, plastics. It is noted that one of the promising ways of cutting tool development is using indexable throwaway inserts (ITI) with wear resistant coatings. The choice of silicon nitride as a material for cemented carbide tool coating is justified. The data on silicon nitride deposition methods, investigation of cutting tool structures and properties are provided. Laboratory and factory tests of Si3N4-coated cemented carbide tools demonstrated coating applicability in improving the wear resistance and lifetime of cutting inserts.

структурапокрытиягазовая фазасвойстварезецстойкостьиспытанияstructurecoatingsgas phasepropertiescutting toolwear resistancetestsReferencesСамсонов Г.В., Эпик А.П. Тугоплавкие покрытия. М.: Металлургия, 1973.Samsonov G.V., Epik A.P. Refractory coating. Moscow: Metallurgiya, 1973 (In Russ.).Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения. М.: Металлургия, 1976.Samsonov G.V., Vinitskii I.M. Refractory compounds. Moscow: Metallurgiya, 1976 (In Russ.).Самсонов Г.В., Кулик О.П., Полищук В.С. Получение и методы анализа нитридов. Киев: Наук. думка, 1978.Samsonov G.V., Kulik O.P., Polishchuk V.S. Nitrides production and analysis methods. Kiev: Nauk. dumka, 1978 (In Russ.).Самсонов Г.В., Дворина П.А., Рудь Б.Н. Силициды. М.: Металлургия, 1979.Samsonov G.V., Dvorina P.A., Rud’ B.N. Silicides. Moscow: Metallurgiya, 1979 (In Russ.).Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1976.Tret’yakov V.I. Basic metallurgical science and sintered cemented carbides production technology. Moscow: Metallurgiya, 1976 (In Russ.).Панов В.С., Чувилин А.М., Фальковский В.В. Технология и свойства твердых сплавов и изделий из них. М.: МИСиС, 2004.Panov V.S., Chuvilin A.M., Fal’kovskii V.V. Technology and properties of sintered cemented carbides and its products. Moscow: MISIS, 2004 (In Russ.).Kolaska H.Y. The dawn of the hard metal age. Powder Metall. Int. 1992. Vol. 24. P. 311—314.Kolaska H.Y. The dawn of the hard metal age. Powder Metall. Int. 1992. Vol. 24. P. 311—314.Фальковский В.А. Теоретические основы твердых сплавов для обработки металлов: Автореф. дис. … док. техн. наук. М.: МИСиС, 1997.Fal’kovskii V.A. Fundamentals of cemented carbides production for metal processing: Аbstract of a thesis of the dissertation of Dr. Sci. (Tech.). Moscow: MISIS, 1997 (In Russ.).Левашов Е.А., Рогачев А.С., Курбаткина В.В. Перспективные материалы и технологии для изделий, полученных самораспространяющимся высокотемпературным синтезом. М.: МИСиС, 2011.Levashov E.A., Rogachev A.S., Kurbatkina V.V. Promising materials and technologies for SHS products. Moscow: MISIS, 2011 (In Russ.).Лошак М.Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. Киев.: Наук. думка, 1984.Loshak M.G. Strength and durability of hardmetals. Kiev: Nauk. dumka, 1984 (In Russ.).Panov V.S. Occurrence and way of development of manufacture of domestic hard alloy products. Inorg. Mater. Appl. Res. 2018. Vol. 9. P. 693—698.Panov V.S. Occurrence and way of development of manufacture of domestic hard alloy products. Inorg. Mater. Appl. Res. 2018. Vol. 9. P. 693—698.Раковский В.С., Самсонов Г.В., Ольхов И.И. Основы производства твердых сплавов. М.: Металлургиздат, 1960.Rakovskii V.S., Samsonov G.V., Ol’khov I.I. The principles of cemented carbides production. Moscow: Metallurgizdat, 1960 (In Russ.).Самсонов Г.В., Витрянюк О.К. Современное состояние и перспективы развития твердых сплавов. Киев: Наук. думка, 1971.Samsonov G.V., Vitryanyuk O.K. The modern state of art and future development of cemented carbides. Kiev: Nauk. dumka, 1971 (In Russ.).Панов В.С., Еремеева Ж.В., Ниткин Н.Н. Технология, свойства, области применения отечественных твердых сплавов. М.: Московский политех, 2017.Panov V.S., Eremeeva Zh.V., Nitkin N.N. Technology, properties, fields of application of domestic manufactured cemented carbides. Moscow: Moskovskii politekh, 2017 (In Russ.).Панов В.С. Г.А. Меерсон — основоположник производства отечественных твердых сплавов и порошковой быстрорежущей стали. Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2001. No. 6. С. 40—45.Panov V.S. G.A. Meerson is an establisher of the production of domestic hard alloys and powder high-speed steels. Izvestiya vuzov. Tsvetnaya metallurgiya. 2001. No. 6. P. 40—46 (In Russ.).Williams B. Powder metallurgy: A global market review. In: International powder metallurgy. 15th ed. UK: Innorar communications Ltd., 2012.Williams B. Powder metallurgy: A global market review. In: International powder metallurgy. 15th ed. UK: Innorar communications Ltd., 2012.Жидовцев Н.А., Кершенбаум В.Я., Гинзбург Э.С., Бикбулатов И.К., Бородина Е.Н. Долговечность шарошечных долот. М.: Недра, 1992.Zhidovtsev N.A., Kershenbaum V.Ya., Ginzburg E.S., Bikbulatov I.K., Borodina E.N. Drilling bit lifetime. Moscow: Nedra, 1992 (In Russ.).Захаров Д.А. Совершенствование состава, структуры, технологии и применения твердых сплавов в производстве буровых долот: Авторефер. … дис. канд. техн. наук. Самара: СамГТУ, 2014.Zakharov D.A. The modifying of composition, structure, technology and working regimes of cemented carbides used in drilling bit production: Abstract of the dissertation of PhD. Samara: SamGTU, 2014 (In Russ.).Креймер Г.С. Прочность твердых сплавов. М.: Металлургиздат, 1971.Kreimer G.S. The strength of cemented carbides. Moscow: Metallurgizdat, 1971 (In Russ.).Фельковский В.А., Клячко Л.И. Твердые сплавы. М.: Руда и металлы, 2005.Fel’kovskii V.A., Klyachko L.I. Cemented carbides. Moscow: Ruda i metally, 2005 (In Russ.).Бондаренко В.П., Гнатенко И.А. Перспективы управления процессом формирования скелета в твердых сплавах WC—Co. Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент: Сб. матер. 14 Междунар. конф. (г. Киев, 15—22 сент. 2011 г.). Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля, 2011. С. 423—437.Bondarenko V.P., Gnatenko I.A. The aspects of skeleton structure formation process management in cemented carbides. In: Rock-cutting and metal-working tool: The collection of materials of the 14 Intern. conf. (Kiev, 15—22 Sept. 2011). Kiev: ISM n.a. V.N. Bakul, 2011. P. 423—437 (In Russ.).Бабич М.М. Неоднородность твердых сплавов по содержанию углерода и ее устранение. Киев: Наук. думка, 1975.Babich M.M. Carbon concentration inhomogenuity of cemented carbides and its elimination. Kiev: Nauk. dumka, 1975 (In Russ.).Ковальченко М.С., Самсонов Г.В. Горячее прессование. Киев: Гостехиздат, 1962.Koval’chenko M.S., Samsonov G.V. Hot pressing. Kiev: Gostekhizdat, 1962 (In Russ.).Кудря Н.А., Гаврилин В.М. Разработка конструкции долотовых коронок для бурения горных пород. Твердые сплавы и тугоплавкие металлы. М.: Металлургия, 1973. No. 14. С. 152—158.Kudrya N.A., Gavrilin V.M. Drilling bits for rock materilals construction design. In: Hard alloys and refractory metals. Moscow: Metallurgiya, 1973. No. 14. P. 152—158 (In Russ.).Ивенсен В.А. Кинетика уплотнения металлических порошков при спекании. М.: Металлургия, 1971.Ivensen V.A. Sintering shrinkage kinetics for metallic powders. Moscow: Metallurgiya, 1971 (In Russ.).Чапорова И.Н., Чернявский К.С. Структура спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1975.Chaporova I.N., Chernyavskii K.S. The structure of sintered cemented carbides. Moscow: Metallurgiya, 1975 (In Russ.).Schwarzkopf P., Kieffer R. Refractory hard metals. N.Y.: Mac Millan, 1953.Schwarzkopf P., Kieffer R. Refractory hard metals. N.Y.: Mac Millan, 1953.Kieffer R., Benesovsky F. Hartmetalle. Berlin: Springer-Verlag, 1965.Kieffer R., Benesovsky F. Hartmetalle. Berlin: Springer-Verlag, 1965.Gurland J. An estimate of contact and continuite of dispersions in opaque samples. AIME. Met. Soc. Trans. 1966. Vol. 236 (5). P. 642—646.Gurland J. An estimate of contact and continuite of dispersions in opaque samples. AIME. Met. Soc. Trans. 1966. Vol. 236 (5). P. 642—646.Dawihl W.A. Microstructure evolution the cemented carbides WC—Co: Handbook of hard metals. London: H.M. Stationary Office, 1955.Dawihl W.A. Microstructure evolution the cemented carbides WC—Co: Handbook of hard metals. London: H.M. Stationary Office, 1955.Suzuki H., Hayashi K. The beta-free lasser near the surface of vacuum — sintered tungsten carbide-beta-Co alloys containing nitrogen. Planseeber. Pulvermet. 1966. Bd. 14. No. 2. S. 96—109.Suzuki H., Hayashi K. The beta-free lasser near the surface of vacuum — sintered tungsten carbide-beta-Co alloys containing nitrogen. Planseeber. Pulvermet. 1966. Bd. 14. No. 2. S. 96—109.Amman E., Hennuber M. Cemented carbide body used preferably for rock drilling and mineral cutting. Stahl and Eisen. 1951. Bd. 71. S. 1080—1090.Amman E., Hennuber M. Cemented carbide body used preferably for rock drilling and mineral cutting. Stahl and Eisen. 1951. Bd. 71. S. 1080—1090.Трент Е.М. Экспресс-информ. ВИНИТИ. Сер. Режущие инструменты. 1971. No. 2. С. 21—28.Trent E.M. Express information of VINITI University. Chapt. Cutting tools. 1971. No. 2. P. 21—28 (In Russ.).Exner H.E., Gurland J.E. Role of the binder phase in cemented tangsten carbide-cobalt alloys. J. Mater. 1970. Vol. 5. P. 75—80.Exner H.E., Gurland J.E. Role of the binder phase in cemented tangsten carbide-cobalt alloys. J. Mater. 1970. Vol. 5. P. 75—80.Grime H., Kolaska J. Heinrich weidenfeld erzanlt (in German). Metall. 1978. Bd. 32. S. 989—993.Grime H., Kolaska J. Heinrich weidenfeld erzanlt (in German). Metall. 1978. Bd. 32. S. 989—993.Gee M.G. Hard metals microstructural design. In: Proc. 15th Intern. pleansee seminar (Vienna, Austria, 21—26 Sept. 2001). Vol. 4. P. 245—266.Gee M.G. Hard metals microstructural design. In: Proc. 15th Intern. pleansee seminar (Vienna, Austria, 21—26 Sept. 2001). Vol. 4. P. 245—266.Froschauer L., Fulrath R.M. Direct observation of liquid- phase sintering in the system tangsten carbide-cobalt. Report No. LBL-3189. 1974.Froschauer L., Fulrath R.M. Direct observation of liquid- phase sintering in the system tangsten carbide-cobalt. Report No. LBL-3189. 1974.Кирюханцев-Корнеев Ф.В. Разработка твердых износостойких покрытий в системах Ti—Si—N, Ti—B—N, Cr—B—N, Ti—Cr—B—N: Автореф. … дис. канд. техн. наук. М.: МИСиС, 2004.Kiryukhantsev-Korneev F.V. The designing of hard, wear resistant coatings in Ti—Si—N, Ti—B—N, Cr—B—N, Ti—Cr—B—N systems: Abstract of the dissertation of PhD. Moscow: MISIS, 2004 (In Russ.).Панов В.С., Шуменко В.Н. Покрытие из нитрида кремния на твердосплавный режущий инструмент. Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2012. No. 2. С. 67—70.Panov V.S., Shumenko V.N. Silicon nitride coating for cemented carbide tools. Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional’nye pokrytiya. 2012. No. 2. P. 67—70 (In Russ.).Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Левашов Е.А., Штанский Д.В. Наноструктурные покрытия Ti—Cr—B—N для твердосплавного режущего инструмента. Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2010. No. 2. С. 39—46.Kiryukhantsev-Korneev F.V., Levashov E.A., Shtanskii D.V. Nanostructured Ti—Cr—B—N coatings for cemented carbide cutting tool. Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional’nye pokrytiya. 2010. No. 2. P. 39—46 (In Russ.).Konyashin I., Anikeev A., Senchihin V. Development, production and application of novel grades of coated hardmetals in Russia. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 1996. Vol. 14. P. 41—48.Konyashin I., Anikeev A., Senchihin V. Development, production and application of novel grades of coated hardmetals in Russia. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 1996. Vol. 14. P. 41—48.Konyashin I. PVD/CVD Technology for coating cemented carbides. Surf. Coat. Technol. 1995. Vol. 71. P. 277—283.Konyashin I. PVD/CVD Technology for coating cemented carbides. Surf. Coat. Technol. 1995. Vol. 71. P. 277—283.Konyashin I. Thin TiCx films chemically vapor deposited onto cemented carbides from the 278TiCl4—CH4—H2 mixture. Thin Solid Films. 1996. Vol. 278. P. 37—44.Konyashin I. Thin TiCx films chemically vapor deposited onto cemented carbides from the 278TiCl4—CH4—H2 mixture. Thin Solid Films. 1996. Vol. 278. P. 37—44.Konyashin I. PVD/CVD Technology for coating cemented carbides. Surf. Coat. Technol. 1996. Vol. 53. P. 259—265.Konyashin I. PVD/CVD Technology for coating cemented carbides. Surf. Coat. Technol. 1996. Vol. 53. P. 259—265.Lessiak M., Haubner R. Diamond coatings on hardmetal substrates with CVD coatings as intermediate layers. Surf. Coat. Technol. 2013. Vol. 230. P. 119—123.Lessiak M., Haubner R. Diamond coatings on hardmetal substrates with CVD coatings as intermediate layers. Surf. Coat. Technol. 2013. Vol. 230. P. 119—123.Guseva M., Babaev V., Khvostov V. High quality diamond films on WC—Co surfaces. Diamond Relat. Mater. 1997. Vol. 6. P. 89—94.Guseva M., Babaev V., Khvostov V. High quality diamond films on WC—Co surfaces. Diamond Relat. Mater. 1997. Vol. 6. P. 89—94.Pogozhev Yu.S., Potanin A.Yu., Levashov E.A., Kochetov N.A., Kovalev D.Yu., Rogachev A.S. SHS of TiC—TiNi composites: Effect of Initial temperature and nanosized refractory additives. Int. J. SHS. 2012. Vol. 21. P. 202—211.Pogozhev Yu.S., Potanin A.Yu., Levashov E.A., Kochetov N.A., Kovalev D.Yu., Rogachev A.S. SHS of TiC—TiNi composites: Effect of Initial temperature and nanosized refractory additives. Int. J. SHS. 2012. Vol. 21. P. 202—211.Pogozhev Yu.S., Levashov E.A., Kudryashov A.E., Zamulaeva E.I., Novikov A.V., Potanin A.Yu. Composite SHS materials based on titanium carbide and nikelide doped with a refractory component. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2014. Vol. 55. P. 83—91.Pogozhev Yu.S., Levashov E.A., Kudryashov A.E., Zamulaeva E.I., Novikov A.V., Potanin A.Yu. Composite SHS materials based on titanium carbide and nikelide doped with a refractory component. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2014. Vol. 55. P. 83—91.Loginov P., Mishnaevsky L., Levashov E.A., Petrzhik M. Diamond and cBN hybrid and nanomodified cutting tools with enhanced performances — development, testing and modeling. Mater. Design. 2015. Vol. 88. P. 310—318.Loginov P., Mishnaevsky L., Levashov E.A., Petrzhik M. Diamond and cBN hybrid and nanomodified cutting tools with enhanced performances — development, testing and modeling. Mater. Design. 2015. Vol. 88. P. 310—318.Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы порошковой металлургии. М.: МИСиС, 2001. Т. 1.Libenson G.A., Lopatin V.Yu., Komarnitskii G.V. Powder metallurgy processes. Moscow: MISIS, 2001. Vol. 1 (In Russ.).Шустер Л.Ш. Исследование износа режущего инструмента и формирование поверхности в связи с адгезионным взаимодействием: Автореф. … дис. канд. техн. наук. Куйбышев: Политехн. ин-т, 1975.Shuster L.Sh. Cutting tool wear study and formation of surfaces due to adhesive interaction: Abstract of the dissertation of PhD. Kuibyshev: Politekhnicheskii institut, 1975 (In Russ.).Frunk R., Schachner H., Triquet C., M. Kornmann, Lux B. Coating of cemented carbide cutting tools with alumina by chemical vapour deposition. J. Electrochem. Soc. 1976. Vol. 123. P. 285—289.Frunk R., Schachner H., Triquet C., M. Kornmann, Lux B. Coating of cemented carbide cutting tools with alumina by chemical vapour deposition. J. Electrochem. Soc. 1976. Vol. 123. P. 285—289.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.