Режущий инструмент и способ его изготовления

 

1. Режущий инструмент, содержащий основу с нанесенным на нее износостойким многослойным покрытием, в котором слой, прилегающий к основе, выполнен из углеродсодержащих соединений и снабжен кислородсодержащей защитной пленкой, отличающийся тем, что, с целью повьппения стойкости инструмента, в последнем слое износостойкого покрытия сформирована дисперсионно-прочненная переходная зона, причем состав защитной пленки имеет вакансионное отклонение от стехиометрии в подрещетке кислорода. 2. Способ изготовления режущего инструмента, включающий очистку и разогрев поверхности инструментальной основы в вакууме ускоренными ионами материала катода и газа-реагента , вводимого в объем в процессе очистки при парциальном давлении реакционного газа 6,67-6,67.10 Па, до температуры карбидизации посредством приложения к инструменту напряжения смещения 800-10000 В с последующим снижением напряжения смещения до 25-750 В и последовательным формированием многослойного покрытия и кислородсодержащей защитной пленки путем поочередного ввода в объем газовреагентов и поочередного подключения катодов, выполненных из металлов IV-VI группы Периодической системы элементов, с последующим охлаждением инструмента до комнатной.температуры, отличающийся тем, что, с целью повьпиения стойкости инструмента , после формирования последнего слоя многослойного износостойкого покрытия вновь повышают напряжение смещения на инструменте до 800-10000 В и одновременно с газом-реагентом вводят в объем окислительно-восстановительную газовую смесь с сохранением указанного давления и производят очистку,и разогрев поверхности последнего слоя покрытия до температуры карбидизации первого слоя, после чего напряжение смещения вновь уменьшают до 25-750 В, прекращают подачу газа-реагента и выдерживают инструмент в камере до восстановления давления , соответствующего его значению на стадии конденсации покрытия, затем перед охлаждением инструмента его выдерживают в течение 5-45 мин в окислительно-восстановительной смеси в процессе очистки. и (Л сд 4 О5 OQ й

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51) В 23 P 15/28 в

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A BTGPCH0MY СВИДЕТЕЛЬСТВУ в процессе очистки, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 3602846/24-21 (22) 03.06.83 (46) 30.01.89. Бюл. Р 4 (71) -Всесоюзный научно-исследовательский инструментальный институт (72) В.П.Жедь, А. Г.Гаврилов, E.И.Курбатова, А.К.Синельщиков, А.M.Áoÿðóíàñ и В.М.Смирнов (53) 621.937(088. 8) (56) Патент СИА 1"- 3967035, кл. С 23 С ll/08, 1975.

Патент Франции 1 - 2357321, кл. В 23 В 27/14, 1977.

Андреев А.А., Булатова Л.В., Картмаэов Г.Н. и др. Покрытия карбида молибдена, полученные методом осаждения плазменных потоков в вакууме.

Физика и химия обработки материалов, 1979, Р 2, с. 169. (54) РЕЖУ111ИЙ ИНСТРУМЕНТ И СПОСОБ ЕГО

ИЗГОТОВЛЕНИЯ. (57) 1. Режущий инструмент, содержащий основу с нанесенным на нее износостойким многослойным покрытием, в котором слой, прилегающий к основе, выполнен из углеродсодержащих соединений и снабжен кислородсодержащей защитной пленкой, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения стойкости инструмента, в последнем слое износостойкого покрытия сформирована дисперсионно-прочненная переходная зона, причем состав защитной пленки имеет вакансионное отклонение от стехиометрии в подрешетке кислорода.

2. Способ изготовления режущего инструмента, включающий очистку и разогрев поверхности инструментальной основы в вакууме ускоренными ионами материала катода и газа-реагента, вводимого в объем в процессе очистки при парциальном давлении реакционного газа 6,67-6,67 10 Па, до

-3 температуры карбидиэации посредством приложения к инструменту напряжения смещения 800-10000 В с последующим

L снижением напряжения смещения до

25-750 В и последовательным формированием многослойного покрытия и кислородсодержащей защитной пленки путем поочередного ввода в объем газовреагентов и поочередного подключения катодов, выполненных из металлов

IV-VI группы Периодической системы элементов, с последующим охлаждением инструмента до комнатной, температуры, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости инструмента, после формирования последнего слоя многослойного износостойкого покрытия вновь повышают напряжение смещения на инструменте до 800-10000 В и одновременно с газом-реагентом вводят в объем окислительно-восстановительную газовую смесь с сохранением указанного давления и производят очистку и разогрев поверхности последнего слоя покрытия до температуры карбидизации первого слоя, после чего напряжение смещения вновь уменьшают до 25-750 В, прекращают подачу газа-реагента и выдерживают инструмент в камере до восстановления давления, соответствующего его значению на стадии конденсации покрытия, затем перед охлаждением инструмента его выдерживают в течение 5-45 мин в окислительно-восстановительной смеси

1454634

3 ° Способ по п.2, о т л и ч а ю— шийся тем, что в качестве окисИзобретение относится к металлообаботке, в частности к инструменту с зносостойким покрытием, и может быть использовано в станкоинструмен5 тальной промышленности.

Известен твердосплавный режущий нструмент, состоящий из основы из спеченного карбида и нанесенного на ее защитного покрйтия иэ окиси алюния толщиной 1-20 мкм. !

Недостатком указанного инструмен та является его низкая термостой-! кость, обусловленная разницей значений коэффициентов термического рас- 15 рения материалов основы и покрытия ,в процессе эксплуатации, так как про, исходит растрескивание, отслаивание покрытия и, соответственно, снижение стойкости режущего инструмента. 20

Наиболее близким техническим решением к изобретению является режущий .,инструмент, состоящий из основы, нанесенного на нее износостойкого многослойного покрытия и кислородсодер- 25 ,жащей защитной пленки, причем слой покрытия, прилегающий к основе, выполнен из соединений, содержащих углерод.

Многослойное покрытие известного 30 режущего инструмента состоит из карбидов, нитридов, карбонитридов, оксикарбонитридов металлов IV-VI групп

Периодической системы элементов, а кислородсодержащая защитная пленка, нанесенная на многослойное покрытие,,выполнена из окислов следующих металлов: гафний, цирконий, алюминий, хром, бериллий.

Недостатком известного режущего 40 инструмента является его низкая стойкость, обусловленная разными коэффициентами термического расширения защитной пленки и многослойного покрытия, что ведет к нарушению адгезион- 45 ного контакта B зоне их coIIpHKocHQ вения и, как следствие, к отслаиванию и растрескиванию пленки. лительню-восстановительной газовой смеси используют воздух.

Кроме того, пленка не обеспечивает защиту покрытия от разрушения кислородом воздуха после ее прорыва изза отсутствия между пленкой и покрытием переходного слоя.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ изготовления режущего инструмента, при котором производят очистку и разогрев поверхности инструментальной основы в вакууме ускоренными ионами материала катода и газа-реагента, вводимого в камеру в процессе очистки до создания в ней давления 6,67—

6,67 10 Па, до температуры карбидиэации материала катода посредством приложения к режущему инструменту ° напряжения 800 — 10000 В, после чего напряжение на режущем инструменте уменьшают до 25-750 В и формируют многослойное покрытие, а затем кисло" родсодержащую пленку путем поочередного ввода в камеру газов-реагентов при давлении в камере 6,67 — 6,67 10 Па и одновременного подключения соответствующего катода и выдержки инструмента в камере в указанных условиях в течение времени, определяе" мого заданной толщиной наносимого слоя или пленки, после чего инструмент охлаждают до комнатной температуры.

Недостатком известного способа является низкая стойкость режущего инструмента с покрытием, обусловленная повышенной хрупкостью защитной-кислородсодержащей пленки, образованной окислами, и низкой адгезией защитной пленки с покрытием, так как последние обладают различными коэффициентами термического расширения.

Целью изобретения является повышение стойкости режущего инструмента.

Поставленная цель достигается тем, что в режущем инструменте, содержащем основу с нанесенным на нее износостойким многослойным покрытием, в

1 54634 котором слой, прилегающий к основе, выполнен иэ углеродсодержащих соединений и кислородсодержащей защитной пленки, в последнем слое износостойкого покрытия сформирована дисперсионно-упрочненная переходная зона, причем состав защитной пленки имеет вакансионное отклонение от стехиометрии в подрешетке кислорода. 10

В способе, реализующем изготовление указанного инструмента, включающем очистку и разогрев поверхности инструментальной основы в вакууме ускоренными ионами материала катода и )5 газа-реагента, вводимого в объем в процессе очистки при парциальном давлении реакционного газа 6,67 — 6,67»

«10 Па, до температуры карбидиэации посредством приложения к режущему ин-.20 струменту напряжения смещения 80010000 В с последующим уменьшением напряжения смещения до 25-750 В и последовательным формированием многослойного покрытия и кислородсодержа- 25 щей защитной пленки путем поочередного ввода в объем газов-реагентов и поочередного подключения катодов, выполненных из металлов IV-VI группы

Периодической системы элементов, с 30 охлаждением инструмента до комнатной температуры, после формирования последнего слоя многослойного износостойкого покрытия вновь повьнпают напряжение смещения на инструменте до

800-10000 В и одновременно с газомреагентом вводят в объем окислительно-восстановительную газовую смесь с сохранением укаэанного давления и производят очистку и разогрев поверх- 40 ности последнего слоя покрытия до температуры карбидизации первого слоя, после чего напряжение смещения вновь уменьшают до 25-750 В, прекращают подачу газа-реагента и выдерживают инструмент в камере до восстановления давления, соответствующего его значению на стадии конденсации покрытия, затем перед охлаждением инструмента его выдерживают в течение 5-45 мин в окислительно-восстановительной смеси в процессе очистки, причем в качестве окислительно-восстановительной смеси используют воз" дух.

На чертеже изображен предлагаемый режущий инструмент, разрез.

Режущий инструмент состоит из инструментальной основы 1, нанесенного на нее многослойного покрытия 2, защитной кислородсодержащей пленки 3 и прилегающей к ней со стороны многослойного покрытия дисперсионно-упрочненной переходной зоны 4.

Инструмент работает следующим образом.

В процессе резания в зоне контакта защитной пленки 3 с обрабатываемой деталью возникают высокие температуры, приводящие к появлению в пленке эначительчых термических напряжений. Преждевременное разрушение защитной пленки 3 под действием укаэанных напряжений исключается за счет увеличения ее пластичности и теплопроводности вследствие наличия .вакансионного отклонения от стехиометрии в подрешетке кислорода в составе защитной пленки. Вакансии заполняются мигрирующими примесными металлическими атомами, присутствие котоРых в пленке увеличивает ее пластичность и теплопроводность.

Указанное отклонение состава защитной пленки от стехиометрического способствует также стабилизации образующихся кислородсодержащих фаз и ускоряет процесс окисления, Кроме того, наличие в составе пленки собственных мелкодисперсных вьщелений или только их зародышей, а также продуктов их реакции с мигрирующими примесными атомами с образованием структур типа шпинели, гематита, ильменита, перовскита, рутилов, колумбитов и пр., также увеличивает пластичность защитной пленки и ее тугоплавкость эа счет блокирования в ней дислокаций мелкодисперсными вьщелениями.

Разница в коэффициентах термического расширения материалов защитной пленки 3 и иэносостойкого покрытия 2 выравнивается в переходной дисперсионно-упрочненной зоне 4. Этому способствует присутствие в составе переходной зоны одновременно элементов покрытия и защитной пленки в виде субоксидных и оксидных фаз. Это придает всему устройству повьппенную термостойкость за счет замедления процессов рекристаллизации и разрушения покрытий. Кроме того переходная зона

4 обеспечивает защиту покрытия от окисления в случае прорыва защитной пленки.

34 6

5 14546

Сущность способа, позволяющего получить предложенный режущий инструмент, заключается в следующем.

Предварительно очищенный режущий инструмент загружают в вакуумную камеру установки типа "Булат", откачивают ее и проводят очистку с разогревом поверхности инструментальной основы (бомбардировкой ионами матерна- 10 ла катода и ионами предварительно введенного в камеру газа-реагента с созданием в ней давления 5 " 5 10 Па) до температуры карбидизации материала катода на инструментальной основе. 15

Процесс бомбардировки осуществляется путем приложения к инструменту напряжения смещения, величина которого определяется материалами основы и покрытия и находится в пределах 800 — 20

10000 В, при этом часть ионов внедряется и диффундирует в поверхностные слои инструментальной основы, ачасть конденсируется на поверхности основы и карбидизируется за счет углерода ма- 25 териала инструментальной основы с образованием первого слоя покрытия из карбидов переходных металлов ° При напряжении менее 800 В внедрения ионов в поверхностные слои практически 30 не происходит и разогрев их затруднен, при напряжении более 10000 В скорость нагрева поверхности инструмента превышает 200 град/с, что ведет к разупрочнению режущей кромки и потере режущих свойств.

Формирование последующих слоев покрытия осуществляется следующим образом.

После достижения температуры кар- 40 бидиэации материала катода на инструментальной основе приложенное к инструменту напряжение снижают до 25—

750 В (в зависимости от материалов основы и покрытия), одновременно вво" 45 дят газ-реагент, сохраняя в камере давление 6,67 - 6,67 10 Па, инструмент выдерживают в этих условиях в течение времени, необходимого для получения заданной толщины слоя покры- б0 тия. Причем при значениях напряжения на режущем инструменте менее 25 В ионы слабо бомбардируют поверхность инструмента и он быстро остывает, что снижает адгезию покрытия к основе, а при напряжениях более 750 В процесс конденсации покрытия сопровождается внедрением ионов в формирующееся покрытие, что нарушает его кристаллическую структуру и снижает механические свойства, что ведет к потере инструментом режущих свойств.

Указанный интервал давлений газа-реагента в камере обусловлен тем, что при давлении более 6,67 Па дуговой разряд переходит в тлеющий, что нарушает технологический режим, а при значениях давления менее 6,67 10 Па

ras-реагент присутствует в камере как примесь, что приводит к конденсации практически чистого материала катода, обусловливающего снижение стойкости инструмента. Формирование последующих слоев осуществляется аналогично, при этом используют другой катод и вводимый в камеру газ-реагент в зависимости от состава наносимого. слоя покрытия.

После конденсации последнего слоя покрытия к инструменту вновь прикладывается напряжение 800 — 10000 В и одновременно в камеру совместно с последним газом-реагентом вводят окислительно-восстановительную смесь.

При этом проводится очистка поверхности покрытия ионами катода, входящего в состав пленки газа-реагента, используемого при нанесении последнего слоя покрытия, и окислительно-восстановительной газовой смеси, с разогревом поверхности покрытия до температуры карбидизации материала первого слоя покрытия. Разогрев до температуры карбидизации на этой стадии процесса необходим, так как при этом продолжается насыщение первого слоя покрытия углеродом основы и происходит выравнивание его концентрации по сечению слоя. Одновременно с указанным процессом на этой стадии формируется переходная дисперсионно-прочненная зона в последнем слое покрытия инструментальной основы.

При достижении указанной температуры напряжение на инструменте опять снижают до 25-750 В, одновременно прекращают подачу газа-реагента и выдерживают инструмент в камере до вос" становления в ней давления, соответствующего его значению на стадии конденсации покрытия. При этом происхо" дит замена газа-реагента окислительно-восстановительной газовой смесью.

Указанный газ-реагент не входит в состав защитной пленки в присутствии наиболее реакционноспособного газа окислительно-восстановительной сме1454634 си — кислорода, но используется как остаточная газовая примесь при формировании защитной пленки с целью увеличения вакансионной дефектности ее структуры. При этом в описанных процессах формирования дисперсионно-упрочненной зоны и кислородсодержащей защитной пленки использовали (по причинам, указанным выше) интервалы нап- 10 ряжений на режущем инструменте и давлений газа-реагента в камере, описанные в известном способе. После окон" чания формирования защитной пленки дуговой разряд выключают, снимают 15 напряжение с инструмента и прекращают подачу окислительно-восстановительной смеси. Инструмент переносят в печь, заполненную той же окислительно-восстановительной газовой .20 смесью, с температурой, равной начальной температуре нагрева поверхности инструмента в камере установки, и вьдерживают его в печи в указанных условиях в течение 5-45 мин, после чего охлаждают вместе с печью до комнатной температуры.

Повышение стойкости инструмента происходит за счет формирования на нем защитной кислородсодержащей плен- 30 ки с вакансионным отклонением от стехиометрии в подрешетке кислорода и образования переходной дисперсионноупрочненной зоны между защитной пленкой и покрытием. Это достигается тем, 35 что после стадии конденсации последнего слоя покрытия перед формированием защитной пленки проводится ионная бомбардировка покрытия в присутствии окислительно-восстановительной газо- 40 вой смеси, в качестве которой, например, может быть выбран воздух.

В процессе ионной бомбардировки происходит растворение кислорода как наиболее реакционноспособного газа в 45 материале покрытия, что способствует зарождению и росту в нем-изолированных частиц субоксидных фаз и переход их в различные модификации высших окислов, Упрочнение переходной зоны покрытия, прилегающей к защитной пленке, такими диспергированными мелкодисперсными частицами придает по" крытию указанные вьппе свойства. Ионная бомбардировка покрытия может осу- 5< ществляться в конце формирования каж" дого из его слоев, что снижает разницу в значениях их коэффициентов термического расширения и увеличивает растворимость слоев один в другом, повышая качество покрытия. Использование в качестве газа-реагента окислительно-восстановительной смеси, в состав которой входят, например, такие газы-восстановители, как водород, углекислый газ и пр., способствует возникновению наиболее стойких к окислению окислов со структурой гематита Ме<0> и родственных ему структур (в случае использования металлов, образующих гомологический ряд окислов) и частичному восстановлению образующихся окисных фаэ с образованием вакансий в подрешетке кислорода, а также появлению в их структуре мягких металлических составляющих, которые повышают пластичность и теплопроводность защитной пленки. И, наконец, в защитной пленке при вьдержке в печи в течение 5-45 мин происходит образование зародьппей собственных выделений, соединение их с примесными мигрирующими атомами, выравнивание состава, устанавливается устойчивое равновесие между кислородом защитной пленки и кислородом окислительно-восстановительной смеси (воздуха), что повышает стойкость режущего инструмента.

При выдержке инструмента в печи менее 5 мин описанные процессы протекают не полностью, что снижает термостойкость режущего инструмента, а при вьдержке более 45 мин поверхностный слой защитной пленки разрыхляется вследствие пресьпцения кислородом, что также снижает стойкость инстру- мента (см. таблицу). При этом температура нагрева окислительно-восстановительной смеси в печи соответствует первоначальной температуре разогрева поверхности инструмента (500—

520 С), что необходимо для завершения формирования покрытия и защитной пленки в процессе вьдержки.

Использование воздуха вместо кис" лорода ликвидирует взрывоопасную си" туацию в технологическом процессе нанесения защитной пленки.

Пример. Очищенный режущий инструмент (сверла из быстрорежущей стали Р6М5) загружают в кайеру установки типа "Булат" и откачивают до давления 6,67 10 " Па. К инструменту прикладывают напряжение 1500 В и зажигают дуговой разряд для испарения материала катода, выполненного из ти14546

Материал Состав основы покрыия г

Состав. Режущий инструмент

Толщина покВремя выдержки в печи при темпер атуре 500Состав

Стойкость сверл (среднее количество обр аб от анных от в ер стий, шт), и толдисперсионно» рытия щина э ащитной. упрочненной

520 С. мин зоны пленки

TiO

Быстроре- Т1с жущ ая сталь TiN 5

Р6М5

Известный (прототип) 500

Т1 09

Т102

Tin

TiO

899

TiO

1050

То же

1210!!»

1360!!»

9 тана. Ускоренный поток ионов титана очищает и разогревает поверхность

О сверл до температуры 500-520 С (тем: пературы карбидизации титана), при, которой образуется слой иэ карбида британа. Температура разогрева контролируется инфракрасным пирометром.

: При достижении указанной температуры в камеру вводят азот до давления 10

«!

3 ° 10 Па и одновременно снижают напряжение до 250 В. В этом режиме инструмент вьдерживают в течение часа.

Получают слой покрытия из нитрида титана толщиной 5 мкм. Затем к инстру- 15 менту вновь прикладывают напряжение

1500 В и одновременно вводят воздух, поддерживая первоначальное давление

3 ° 10 Па. В этом режиме сверла выдерживают в течение времени, пока по- 20 верхность покрытия из нитрида титана не разогреется до температуры 500— о

520 C. При достижении указанной температуры напряжение на режущем инструменте снижают до 25 В и одновременно прекращают подачу азота. Инструмент вьдерживают в камере до восстановления в ней вакуума 3:10 Па, после чего дуговой разряд выключают, прекращают подачу воздуха, снимают ЗО напряжение с инструмента, переносят ,последний в печь с воздухом, подогре тым до температуры 500 — 520 С, и выПредла- Tic гаемый То же TiN 5

34

10 держивают в печи в течение 20 мин. после чего его охлаждают вместе с печью до комнатной температуры.

Итак, поставленная цель, заключающаяся в повышении стойкости инструмента, достигается тем, что защитная пленка соединена с износостойким пок рытием через дисперсионно-упрочненную зону, которая расположена в последнем его слое, а состав пленки име ет вакансионное отклонение от стехчометрии. Покрытие режущего инструмента,(сверл) получено путем введения в известный способ нанесения покрытий методом КИБ дополнительной операции ионной бомбардировки последнего слоя покрытия, а также замены при формировании защитной пленки взрывоопасного кислорода окислительно-восстановительной газовой смесью.

В процессе испытаний исследовано влияние времени. вьдержки сверл предложенной конструкции в печи при температуре 500-520 С на их стойкостные характеристики.

Стойкостные испытания проводились на операции сверления на станке Вессельмана при обработке стали 45 при следующих режимах резания. скорость резания 45 м/мин; подача 0,12 мм/об; глубина 0,15 мм. Результаты стойкостных испытаний представлены в таблице ° г.

Продолжение таблицы

j 454634

Рекуарай ., Материал инстру- основы мент

Состав ТолщиСостав н толна покрытия покрытия на э ашитной пленки

l 370

620 50

1 2 У

Составитель С,Мирошкин

Редактор А.Маковская Техред М.Дидык Корректор С.Некмар

Заказ 7390/)9 Тирам 892 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическов предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Состав дисперснонно упрочманной зоны! Время выдержки в печи при темпера туре 500-! 520 С.

I s

Стойкость сверл (среднее количеств о обаботанных отверстий, шт) °