Режущий инструмент с покрытием
Изобретение относится к области нанесения покрытий, в частности к нанесению покрытий испарением и конденсацией в вакууме, и может быть использовано в инструментальном производстве для получения износостойких покрытий на режущем инструменте. Предложенный режущий инструмент содержит инструментальную основу и нанесенное на нее износостойкое ионоплазменное покрытие, при этом покрытие содержит кремний и выполнено из нитрида титана и кремния при соотношении титана и кремния, мас.%: титан 98,8-99,1, кремний 0,9-1,2. Техническим результатом изобретения является повышение стойкости режущего инструмента. 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области нанесения покрытий, в частности к нанесению покрытий испарением и конденсацией в вакууме, и может быть использовано в инструментальном производстве для получения износостойких покрытий на режущем инструменте.
Известен режущий инструмент с износостойким ионоплазменным покрытием TiN толщиной 3-8 мкм (см. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. С.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 покрытие имеет недостаточные микротвердость и прочность сцепления с инструментальной основой и высокие остаточные напряжения, что приводит к снижению стойкости режущего инструмента при его эксплуатации.
Наиболее близким режущим инструментом с покрытием того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является режущий инструмент с покрытием, содержащий инструментальную основу и нанесенное на нее износостойкое ионоплазменное покрытие нитрида титана и циркония (см. Табаков В.П., Езерский В.И., Полянсков Ю.В. Повышение работоспособности режущего инструмента путем направленного изменения состава износостойкого покрытия // Вестник машиностроения. 1989. № 12. С.45), принятый за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного режущего инструмента с покрытием, принятого за прототип, относится то, что в известном режущем инструменте с покрытием не обеспечивается достаточные прочность сцепления покрытия с инструментальной основой и микротвердость покрытия и низкие остаточные напряжения, в результате чего снижается стойкость режущего инструмента при его эксплуатации.
Сущность изобретения заключается в следующем. На инструментальную основу наносится износостойкое покрытие нитрида титана и кремния при соотношении титана и кремния, мас. %: титан 98,8-99,1, кремний 0,9-1,2.
Технический результат - повышение стойкости режущего инструмента.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известный режущий инструмент с покрытием содержит инструментальную основу и нанесенное на нее износостойкое ионоплазменное покрытие из нитрида титана и кремния.
Особенность заключается в том, что покрытие содержит кремний и выполнено из нитрида титана и кремния при соотношении титана и кремния, мас.%: титан 98,8-99,1, кремний 0,9-1,2.
Нанесение покрытия, выполненного из нитрида титана и кремния при соотношении титана и кремния, мас.%: титан 98,8-99,1, кремний 0,9-1,2, приводит к снижению напряжений в покрытии, к повышению микротвердости и прочности сцепления с инструментальной основой и, как следствие, к увеличению стойкости режущего инструмента при его эксплуатации.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, определенным 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 покрытием, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного режущего инструмента с покрытием. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;
- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какой-либо части (элемента) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности, сокращение продолжительности процесса и пр.);
- увеличение количества однотипных элементов, действий для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий;
- выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;
- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.
Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен режущий инструмент с покрытием.
Режущий инструмент с покрытием содержит инструментальную основу 1 и нанесенное на нее покрытие 2, выполненное из нитрида титана и кремния.
Покрытия наносили следующим образом.
Покрытия наносили методом КИБ (конденсацией из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой). Предварительно очищенные от загрязнений неперетачиваемые пластины, изготовленные из твердого сплава МК8 и быстрорежущей стали Р6М5К5, размещали в камере установки "Булат-6Т" с установленными в ней электродуговыми испарителями, материалы катодов которых включают элементы покрытия.
В пространстве между пластинами и катодом зажигали дуговой разряд для испарения материала катода, в камеру подавали азот для взаимодействия с испаряемым материалом катода. Осуществляли конденсацию покрытия нитрида титана и кремния (Ti,Si)N толщиной 5 мкм. После этого подачу азота в камеру прекращали, выключали дуговой разряд. Пластины с нанесенным износостойким покрытием охлаждали в камере до комнатной температуры.
Остаточные напряжения в покрытии определяли на рентгеновском дифрактометре “ДРОН - 3”.
Микротвердость покрытия измеряли на микротвердомере “ПМТ - 3”.
Стойкостные испытания режущего инструмента проводили при продольном точении заготовок из стали 30ХГСА на токарном станке 16К20. Режимы резания для инструмента с пластинами, изготовленными из твердого сплава МК8: скорость резания V=180 м/мин, подача S=0,15 мм/об, глубина резания t=0,5 мм, обработка производилась без применения СОЖ; для инструмента с пластинами, изготовленными из быстрорежущей стали Р6М5К5: скорость резания V=55 м/мин, подача S=0,3 мм/об, глубина резания t=0,75 мм, обработка производилась с применением СОЖ (5%-ный водный раствор эмульсола Укринол-1M).
За критерий износа была принята величина фаски износа по задней поверхности: hЗ=0,4 мм для пластин, изготовленных из твердого сплава МК8, и hЗ=0,6 мм для пластин, изготовленных из быстрорежущей стали Р6М5К5. Эффективность инструмента определяли по величине коэффициента повышения стойкости, определяемого как отношение стойкости инструмента с покрытием (Ti,Si)N к стойкости инструмента с покрытием (Ti,Zr)N.
Величина остаточных напряжений, коэффициент отслоения, микротвердость покрытий (Ti,Zr)N и (Ti,Si)N и стойкость режущего инструмента с данными покрытиями приведены в таблице.
| Состав покрытия, мас.% (соотношение компонентов) | Микротвердость Нμ, ГПа | Коэффициент отслоения | Остаточные напряжения σ0, МПа | Стойкость Т, мин | ||
| Ti | Zr | Si | ||||
| МК8 | ||||||
| 90 | 10 | - | 31,5 | 1,76 | 2147 | 32 |
| 99,33 | - | 0,67 | 36,1 | 1,38 | 1629 | 45 |
| 99,00 | - | 1,00 | 37,4 | 1,43 | 1812 | 51 |
| 98,67 | - | 1,33 | 38,2 | 1,49 | 1923 | 48 |
| Р6М5К5 | ||||||
| 90 | 10 | - | 28,0 | 0,86 | 3870 | 56 |
| 99,33 | - | 0,67 | 30,1 | 0,50 | 2433 | 76 |
| 99,00 | - | 1,00 | 31,9 | 0,54 | 2634 | 84 |
| 98,67 | - | 1,33 | 32,6 | 0,57 | 2737 | 79 |
Как видно из таблицы, наличие в покрытии нитрида титана кремния способствует снижению остаточных напряжений в покрытии, повышению микротвердости и прочности сцепления покрытия с инструментальной основой (о чем свидетельствует уменьшение значения коэффициента отслоения), увеличению стойкости режущего инструмента с покрытием (Ti,Si)N по сравнению с инструментом с покрытием (Ti,Zr)N.
Стойкость режущего инструмента с покрытием (Ti,Si)N по сравнению с инструментом с покрытием (Ti,Zr)N повышается в 1,5 раза для инструмента с пластинами, изготовленными из быстрорежущей стали Р6М5К5, и в 1,6 раза для инструмента с пластинами, изготовленными из твердого сплава МК8.
Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного режущего инструмента с покрытием следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленный режущий инструмент с покрытием при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, 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;
- для заявленного режущего инструмента с покрытием в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".
Режущий инструмент с покрытием, содержащий инструментальную основу и нанесенное на нее износостойкое ионоплазменное покрытие, отличающийся тем, что покрытие содержит кремний и выполнено из нитрида титана и кремния при соотношении титана и кремния, мас.%: титан 98,8-99,1, кремний 0,9-1,2.
