Способ изготовления режущего инструмента из быстрорежущей стали и твердого сплава с износостойким покрытием

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (192 (И) (5D 4 С 23 С 14 32

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ мента с покрытием.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 3613721/24-21 (22) 28. 06. 83 (46) 15.03.89. Бюл. В 10 (71) Всесоюзный научно-исследовательский инструментальный институт (72) А. Г. Гаврилов, Г; К. Галицкая, В.П.Жедь,, Е.И. Курбатова и А.К. Синельщиков (53) 621.793.14 (088.8) (56) Патент ФРГ М 1221166, кл. С 23 С 13/00, 1966.

Андреев А.А. Булатова Л.В. Картмазов, Г.Н. и др. Покрытия из карбида молибдена, полученные методом осаждения плазменных потоков в вакууме (КИБ) — "Физика и химия обработки материалов. М.: Наука, !979, У 2, с ° 169.,(54) (57) 1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖуЩЕЙ

СТАЛИ И ТВЕРДОГО СПЛАВА С ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ, включающий очистку поверхности инструмента с разогревом ее ионной бомбардиронкой в дуговом разряде в вакууме путем приложения к инструменту отрицательного напряжения смещения 800-10000 В, формирование на очищенной поверхности иэносостойкого покрытия путем введения в объем газа-реагента при парциальном давлении 6,67-6,67 10 Па и

Изобретение относится к металлообработке, в частности к способу изготовления металлорежущего инструнапряжении смещения 25-750 В с последующим охлаждением инструмента до комнатной температуры, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения износостойкости инструмента, перед очисткой и разогревом поверхности инструмента его помещают,в насыщенный солевой раствор и выдерживают при температуре растворения соли н течение 5-10 мин, а эатем— при температуре кристаллизации соли ,из раствора н течение времени испарения растворителя, причем разогрев поверхности инструмента при очистке ее ионной бомбардировкой осуществляют до температуры разложения соли, после чего снимают напряжение смещения с инструмента и выдерживают его при температуре разложения соли в течение 15-30 с, а затем вновь прикладывают напряжение смещения 80010000 В и продолжают разогрев инструмента ионной бомбардировкой ионами материала катода и токами неметаллических составляющих солей до температуры карбидизации наносимого материала.

2. Способ по п.1, а т л и ч а юшийся тем, что, н качестве насыщенного соленого раствора используют раствор простых, комплексных или металлоорганических солей.

Целью изобретения является повышение износостойкости инструмента.

Сущность предлагаемого способа изготовления режущего инструмента r

1465463 износостойким покрытием состоит в формировании на его поверхности подслоя из смешанных кристаллов, часть которых диффундирует в покрытие B процессе его нанесения, легирует и упрочняет его, а другая часть расплавляется, заполняя шероховатости поверхности режущего инструмента.В процессе резания стойкость инстру- 10 мента увеличивается как за счет повышенных физико-механических свойств легированного нокрьггия, так и за счет свойств подслоя, который является высокопрочным каркасом для по1

1 крытия и одновременно барьером,предохраняющим поверхность режущего инструмента от истирания после прорыва покрытия. Кроме того, в момент начального разрушения покрьггия и под- 20 слоя в результате высоких удельных ,давлений и температур в зоне контакта происходит вьдавливание легкоплавких составляющих, что обеспечивает смазывание жидкими или мягкими ме- 25 таллическими смазками. Это снижает износ и повышает стойкость инстру- мента.

Подслой из смешанных кристаллов формируется из предварительно нане- 30 сенных на поверхность инструмента солей, материала покрытия и углерода инструментальной основы в процессе очистки и разогреьа инструмента ионной бомбардировкой в дуговом разряде перед нанесением износостойкого покрытия.

1

Способ осуществляется следующим образом.

Инструмент помещают в емкость,за- 40 полненную насыщенным раствором, например раствором буры в воде. При этом на инструментальной основе происходит осаждение гидратированных ионов соли. Солевые растворы содержат как ионы металлов, так и неметаллические составляющие. Растворы готовят насыщенными,,, что обеспечивает осаждение.на инструментальной основе максимально возможного количества ионов. При использовании пересьпценных растворов процесс осаждения затруднен присутствием в растворе второй фазы, что снижа.ет количество ионов на поверхности и сплошность их размещения.

Вьдержка инструмента в насыщенном солевом растворе осуществляется при температуре растворения каждой конкретной соли„чтобы сохранить постоянной концентрацию ионов в растворе и предотвратить выпадание второй фазы. Оптимальное время выдержки инструмента в насыщенных солевых растворах составляет 5-10 мин. При вьдержке менее 5 мин осаждение ионов на поверхности происходит не полностью, что снижает стойкость режущего инструмента, а вьдержка инструмента в растворе более 10 мин не влияет на стойкость инструмента.

По истечении 5-10 мин вьдержки инструмента в солевом растворе инструмент помещают в печь, нагретую до температуры кристаллизации используемой соли из того или иного раствора, и вьдерживают при указанной температуре в течение времени испарения растворителя. Указанные условия обеспечивают кристаллизацию соли на поверхности инструментальной основы. При кристаллизации соли из раствора при температуре ниже кристаллизационной кристаллы содержат большое количество кристаллизационной воды, водород которой в процессе

1 конденсации покрытий увеличивает хрупкость последних, что снижает стойкость режущего инструмента, а при кристаллизации соли из раствора нри температурах выше кристаллизационной происходит их частичное разложение, что также снижает стойкость инструмента.

1 .Подготовленный таким образом инструмент помещают в технологический объем вакуумной установки для нанесения покрытий, откачивают ее, после чего проводят очистку поверхности режущего инструмента бомбардировкой ионами материала катода, расходуемого в дуговом разряда с разогревом до температуры разложения соли, после чего снимают напряжение смещения с режущего инструмента, вьдерживают

его в камере при указанной темпера — . туре в течение 15-30 с, затем снова прикладывают напряжение 800-10000 В и продолжают разогрев поверхности инструмента ионами материала катода и ионами неметаллических составляющих соли при нагреве поверхности инструмента до температуры разложе-. ния соли, до температуры карбидизации материала катода на инструментальной основе.

1465463

25

ЭО

Для осуществления разогрева поверхности ионной бомбардировкой к инструменту прикладывают напряжение

800-10000 В. При напряжении менее

800 В разогрев поверхности происходит очень медленно и температура карбидиэации не достигается, что снижает стойкость инструмента. При напряжении более 10000 В скорость нагрева превышает 200 град/с, что ведет к перегреву режущей кромки инструмента и потере им режущих свойств.

При достижении температуры разложения нанесенной на поверхности инструмента соли с инструмента снимают напряжение смещения, прекращают его разогрев и вьдерживают в камере при температуре разложения соли в течение 15-30 с. При вьдержке инстру. мента в камере менее 15 с разложение соли происходит не полностью и дальнейший разогрев поверхности способствует ее расплавлению, что уменьшает количество неметаллических составляющих в камере и, соответственно, снижает стойкость инструмента. При вьдержке инструмента в камере более ,30 с инструмент остывает и процесс . разложения соли прекращается, что также снижает количество ее неметаллических составляющих в камере.

Аналогичные процессы происходят в том случае, если выдержку инструмента в камере осуществлять при температуре выше или ниже температуры разложения соли,. так как соль не успевает разложиться и расплавиться.

При достижении на поверхности инструментальной основы температуры карбидизации материала катода в камеру подают газ-реагент, создавая в ней давление 6,67-6,67 10 з Па и одновременно снижают напряжение смещения на режущем инструменте до

25-750 В и вьдерживают его в камере до получения иэносостойкого покрытия заданной толщины. При конденсации многослойных покрытий используют попеременное подключение нескольких катодов, выполненных из различных металлов кли из сплавов, и введение соответствующих газов-реагентов, входяших в состав чередующихся слоев.

При использовании при конденсации покрытий напряжения смещейия на режущем инструменте менее 25 В повевхность его быстро остывает,что пркводкт к снижению скл адгеэки между чкструментом н покрытием, последнее прк этом быстро отслаивается.

Прк напряжении более 750 В ухудшают"я фкзкко-механические свойства покрытия, что снижает стойкость инструмента. Прк значении парциального давления газа-реагента менее 6,67 Па дуговой разряд переходит в тлеющий, что нарушает технологический процесс, а прк значении давления более 6,67»

° 10 - Ia газ-реагент присутствует в камере в качестве примеси, что изменяет заданный состав покрытия и также снижает стойкость инструмента.После окончания процесса конденсации покрытия инструмент охлаждают в камере до комнатной температуры.

Формирование подслоя осуществляется в несколько этапов.

В начальный момент очистки поверхностк режущего инструмента с осажденными на ней кристаллами соли ионной бомбардировкой происходит только локальная конденсация на ней материала катода. При-достижении температуры разложения осей происходит кх распад на более простые соедкнения, непосредственно металлы и газовые составляющие. При дальнейшем нагреве легкоплавкие металлы (напркмер, щелочные илк щелочно-земельные металлы) размягчаются или частично расплавляются и заполняют шероховатости поверхности инструмента. Более тугоплавкие металлы (например, переходные металлы) в элементарном виде или в виде соединений остаются на поверхности к частично взаимодействуют с конденскрующимися материалами катода. При этом вьделяющкеся при разложении солей газы ионкзкруются, образуя раэнозаряженные комплексы. Положительно заряженные частицы направляются вместе с потоком материала катода к поверхности режущего инструмента, конденскруются ка нек и вступают в химическую реакцию с находящимися там элементами и соединениями.

При достижении на поверхности инструмента температуры карбкдкэацки на ней происходит образование соот— ветствующкх карбидов на основе конденсированного материала катода к дкффундкрующего углерода, входящего в состав инструментальной основы.

146 5463

При этом пр он сходи r легирова ни е образующихся карбидов элементами и соединениями, находящимися на поверхности инструмента и обладающими с ними взаимной растворимостью. Помимо этого протекают процессы вс1сстановления и возникновения различных самостоятельных соединений, не входящих в состав карбидов. Таким образок, 1р формируется сложнолегированный подслой из смешанных кри< таллов. В случае, если температура карбидизации не достигается, в составе подслоя отсутствуют карбидные фазы, что снижает стойкость инструмента, при ее превышении происходит разупрочнение инструментального материала, что также снижает стойкость инструмента.

Пример. Предварительно очи- 2р щенный инструмент, изготовленный из твердого сплава Т14К8 н быстрорежущей стали Р6М5 помещали в емкость, заполненную насыщенным раствором натриевой соли тетраборной кислоты (бу- 25 ры) в воде, Растворение проводилось при 30 .С. При этой температуре насыщенный раствор получают при раство рении 3 75 r буры в 100 г воды. После вьдержки инструмента в растворе в те- 30 чение 5 мин он переносился в печь с температурой нагрева 60 С и вьдерживался в ней до полного испарения воды. Затем инструмент размещался в камере вакуумной. устансвки для нанес ения покрытий. Камер а откачивалась до давления ниже 6,67 10 Па и на инструмент подавалось напряжение

1500 В. Между ним и катодом, изготовленным из сплава титана, зажигался дуговой раэряд и проводилась очистка поверхности инструмента ионами титана до температуры разложения буры 400 С. После этого напряжение смещения с режущегс инструмента снималось и он вьдерживался при .400 С в течение 20 с. "= àòåì на инструмент вновь подавалось напряжение

1500 В и продолжалась ионная бомбардировка титаном совместно с. ионами

5О борокислородных соединений,, полученных в результате разложения буры,до температуры карбйдизации титана на поверхности инструмента. Температура карбидизации титана на поверхности стали составляла 500-520 С, а на поверхности твердого сплава

650-670 С. Контроль температуры осуществлялся инфракрасным пирометром.

После достижения указанной температуры напряжение смещения на режущем инструменте снижалось до 300 В, а камера заполнялась азотом до давлеI ния 4 10 Па — при этом осуществлялось формирование покрытия толщиной 5 мкм на основе нитрида титана, легированного составляющими соли.3атем подача азота прекращалась, дуговой разряд выключался, с инструмента снималось напряжение смещения и он охлаждался в камере до комнатной температуры.

Предложенным способом были изготовлены также сверла и пластины с износостойким покрытием нри использован;.;н различных солевых растворов, режимов вьдержки инструмента и режимов нанесения покрытий. Все параметры и условия конкретных примеров осуществления способа сведены в табл. 1 и 2. В таблицах представлены также результаты стойкости испытаний режущего инструмента, изготовленного без предварительной вьдержки инструмента в солевом растворе перед нанесением покрытия, и режущего инструмента, полученного предложенным способом при различных режимах.

Стойкостные испытания сверл из стали Р6М5 и режущих пластин из сплава Т15К6 проводились при обработке стали 45 по режимам, приведенным в табл.3.

Оптимальное время вьдержки инструмента в насыщенном солевом растворе составляет 5-10 мин, а время ,вьдержки в. вакуумной камере после достижения температуры разогрева поверхности инструмента, равной температуре разложения солей, составляет 15-30 с.

1465463!

Способы изг.инРежущий

Соль

ТемРастворитель

Время вы-.

Покрытие

Среднее пература растворения, С ратура кристал. ратура значение стойструмента индержки в струмент . разлож. кости кол-во обр.дет. растворителе, мин соли, С соли, С

Сверла

Плас.—

ИзTiN

300 вестный

70 400

Пластины.

Калий Вода

Сверла циа но вода нат

80 300

Пластины

Прийер

Напряжение смещения на инструм.

Температура разложен. о буры, С

Температура карбидизации

Вр емя выдержСредняя стойкость инструм.*, шт °

Вр емя выРежущий инструки при темпедержки инст, мент мат. као тода, С рат. разлож. буры, С в раст. соли, мин

32

37

48

500

1500

650

Пластины тины

Предла- Свер- Бура Вода гаемый ла

Сверла 5 400

10

8

12

10

3, 5

12

Темпе- ТемпеТа блица 1

28

27

39

52

56

56

Тверд рас-р 250 на основе TiN 350

28

58

Таблица 2

1465463

Продолжение табл. 2

500

1500

5 300

100

450

5 400

2 Сверла

101 00

1500

3 Сверла

750

5 400

4 Сверла

Плас тины

1 50 Твердый раствор на основе TiN

3 Сверла Тетра- Спирт 20 карбонил хрома

Пластины

4 Сверла Бура Вода 30

Твердый раствор на основе TiN

Пластины

Твердый раствор на основе TiN

5 Св ерла Бура в разбавленном растворе

Бура в Вода насы550

400

30 5 70 щенном растворее

Бура в пере300 с ьпце нном растворе

* Средняя стойкость инструмента определялась по партии сверл в количестве 15 шт, 3 40

10

5

12

5 60

80

70

27

48

26

54

57

56

48

26

200

1465463

14

Таблица 3

Резимы испытания

:Показатели твердосплавных пластин сверл

Скорость, м/мнн

Подача, мм/об

Глубина резания,мм

160

0,18

0,3

16,5

Составитель С. Мирошкин

Техред М.йщанич . Корректор С. Шекмар

Редактор Т. Лазоренко

Заказ 911/?8 Тираж 938 Подписное .

ВНИИПИ Государственного комитета но изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР

113035, Иосква, -35 ° Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óàrîðoä, ул. Гагарина,101