Способ повышения стойкости режущего инструмента

Изобретение относится к способу нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Вакуумно-дуговым методом в среде реакционных газов наносят многослойное покрытие, состоящее из верхнего слоя из нитрида титана, промежуточного слоя из карбонитрида титана и нижнего слоя из карбонитрида титана. Нижний слой наносят в среде газовой смеси азота и 15% ацетилена. Нанесение промежуточного слоя осуществляют в среде газовой смеси при содержании ацетилена 40%. Кроме того, многослойное покрытие наносят толщиной 6 мкм при толщине каждого слоя 2 мкм. В результате повышается работоспособность режущего инструмента за счет того, что нижний слой имеет высокую прочность сцепления с основой, промежуточный слой - высокую трещиностойкость, а верхний слой обладает контактными характеристиками, позволяющими снизить уровень контактных температур и амплитуду их колебаний за время рабочего хода инструмента, что в свою очередь приводит к снижению амплитуды колебаний напряжений, действующих на поверхности инструмента за время рабочего и холостого хода. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.

Известен способ повышения стойкости режущего инструмента (РИ), при котором на его поверхность вакуумно-дуговым методом наносят покрытие из нитрида титана (TiN) или карбонитрида титана (TiCN) (см. Табаков В.П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана. Ульяновск: УлГТУ, 1998, 122 с.). К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе покрытия, обладающей хорошей адгезией к инструментальному материалу, имеют относительно низкую твердость и уровень сжимающих напряжений, либо имеют высокую микротвердость, но недостаточную прочность сцепления с инструментальной основой. В результате этого покрытие легко подвергается абразивному износу, в нем быстро зарождаются и распространяются трещины, приводящие к разрушению покрытия, что снижает стойкость РИ с покрытием.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ повышения стойкости РИ, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида титана TiN, промежуточного слоя карбонитрида титана TiCN и верхнего слоя нитрида титана TiN (см. Смирнов М.Ю. Повышение работоспособности торцовых фрез путем совершенствования конструкций износостойких покрытий. Дисс. канд. техн. наук, - Ульяновск, - 2000, - 232 с.), принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе многослойное покрытие содержит нижний слой нитрида титана TiN, обладающий невысокими физико-механическими и физико-химическими свойствами (микротвердостью, трещиностойкостью), и, главное, имеет низкую прочность сцепления с основой. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам износа и разрушения при прерывистом резании.

Повышение в последнее время стоимости металлорежущего инструмента и ужесточение требований к точности обрабатываемых деталей сделало еще более актуальной проблему повышения стойкости РИ. Одной из причин потери работоспособности РИ при прерывистом резании является разрушение его поверхностных слоев в результате адгезионно-усталостных процессов при отделении застойной зоны (часть стружки вблизи режущей кромки РИ). При работе РИ с покрытием в результате разрушающего действия при отделении застойной зоны наблюдается отслоение покрытия. Одним из путей повышения стойкости и работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа, содержащих нижний слой, обеспечивающий высокую прочность сцепления с основой. При этом вышележащие слои должны обеспечивать снижение интенсивности трещинообразования как основного фактора износа РИ при прерывистом резании.

Технический результат - повышение работоспособности РИ и качества обработки.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе на рабочие поверхности РИ вакуумно-дуговым методом наносится многослойное покрытие. Особенность заявляемого способа заключается в том, что в качестве верхнего слоя наносят нитрид титана TiN, а в качестве промежуточного и нижнего слоев наносится карбонитрид титана TiCN. Кроме того, для трехслойного покрытия толщины слоев принимаются равными 2 мкм при общей толщине многослойного покрытия, равной 6 мкм.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источников, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение 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 способе, 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 способа повышения стойкости РИ. 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, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;

- замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

- исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;

- увеличение количества однотипных элементов, действий для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий;

- выполнение известного средства или его части 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».

Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе прерывистого резания во время рабочего хода РИ работает в условиях всестороннего сжатия, что благополучно сказывается на работоспособности РИ. Во время холостого хода в поверхностных слоях РИ начинают действовать напряжения растяжения, возникающие в результате более интенсивного охлаждения поверхностных слоев инструментального материала по отношению к нижележащим слоям. Наличие растягивающих напряжений отрицательно сказывается на работоспособности РИ при прерывистом резании, так как они активизируют процесс трещинообразования. Разрушение режущего клина с покрытием в этих условиях происходит в результате роста трещин - как из-под покрытия (из инструментальной основы - трещины 1-го типа), так и с поверхности покрытия (трещины 2-го типа). Причем образование трещин 2-го типа может инициироваться деформациями, связанными с прорастанием в покрытие трещин 1-го типа. Кроме того, при прерывистом резании под действием температуры и давления образуется адгезионная связь стружки и передней поверхности РИ на участке пластического деформирования - так называемая застойная зона, которая, отделяясь вместе со стружкой, отрывает поверхностные слои РИ. При этом в случае РИ с покрытием удаляются все его слои сразу или по очереди, тем самым оголяется инструментальная основа и эффект от применения износостойкого покрытия снижается. В связи с этим слои многослойного покрытия для условий прерывистого резания должны обладать следующими свойствами. Нижний слой покрытия должен иметь высокую прочность сцепления с основой. Промежуточный слой должен иметь высокую трещиностойкость, чтобы служить барьером для трещин, растущих как из основы, так и с поверхности. Также этот слой должен обладать высокими сжимающими напряжениями, препятствующими образованию и росту трещин. Верхний слой должен обладать такими контактными характеристиками, чтобы снизить уровень контактных температур и амплитуду их колебаний за время рабочего и холостого хода, что приводит к снижению амплитуды колебаний напряжений, действующих на поверхности инструмента за время рабочего и холостого хода. В качестве материала нижнего слоя следует использовать карбонитрид титана TiCN, осажденный при содержании ацетилена в смеси реакционных газов 15%. Карбонитрид титана, полученный с таким содержанием ацетилена, обладает меньшей твердостью и большей пластичностью и, соответственно, лучшей адгезией с основой. В качестве материала промежуточного слоя используется также карбонитрид титана TiCN, но с содержанием ацетилена в смеси газов 40%, обладающий большей твердостью, трещиностойкостью и сжимающими напряжениями. В качестве материала верхнего слоя необходимо использовать нитрид титана TiN, обладающий наименьшим коэффициентом трения в паре с различными обрабатываемыми материалами. При этом толщины всех слоев равны 2 мкм при общей толщине покрытия 6 мкм.

Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанных в формуле изобретения пределов толщин слоев, показали более низкие результаты. Уменьшение толщины нижнего слоя приводило к снижению прочности сцепления с основой. Уменьшение толщины промежуточного слоя приводило к снижению микротвердости и трещиностойкости всей многослойной композиции и, как следствие, снижению стойкости инструмента. Уменьшение толщины верхнего слоя приводило к тому, что он более интенсивно разрушался в процессе резания, что приводило в дальнейшем к росту контактных температур и интенсивности трещинообразования. Увеличение толщины нижнего слоя приводило к увеличению хрупкости покрытия. Увеличение толщины промежуточного слоя приводило к увеличению отслоения покрытия. Увеличение толщины верхнего слоя приводило к росту интенсивности трещинообразования. Исследование покрытий без нижнего слоя показало снижение прочности сцепления и, соответственно, более низкую работоспособность.

Для экспериментальной проверки заявленного способа было нанесено покрытие-прототип с соотношением слоев, соответствующему оптимальному значению, указанному в известном способе, а также трехслойные покрытия по предлагаемому способу. Покрытия наносили на твердосплавные пластины в вакуумной камере установки «Булат-6», снабженной тремя вакуумно-дуговыми испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. В качестве катодов испаряемого металла при нанесении слоев TiN и TiCN использовали титановый сплав ВТ1-0. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки. Верхний слой TiN осаждали в среде реакционного газа - азота при напряжении на подложке 140 В. Для осаждения слоя TiCN в качестве реакционного газа использовалась смесь азота и ацетилена (содержание ацетилена в смеси 40%), напряжение на подложке 160 В. Нижний слой TiCN осаждался при напряжении 160 В в среде газовой смеси азота и ацетилена с содержанием ацетилена 15%. Ток фокусирующих катушек при конденсации TiN составлял 0,3 А, при конденсаций TiCN - 0,4 А.

Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа.

Покрытие толщиной 6 мкм для РИ, работающего в условиях фрезерования.

Твердосплавные пластины МК8 (размером 4,7×12×12 мм) промывают в ультразвуковой ванне, протирают ацетоном, спиртом и устанавливают на поворотном устройстве в вакуумной камере установки «Булат-6», снабженной тремя испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. В качестве катодов испаряемого металла используют титановый сплав марки ВТ1-0, а также составной катод из алюминиевого сплава, содержащего вставку из титанового сплава. Камеру откачивают до давления 6,65×10^-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают один испаритель из ВТ1-0 и при токе дуги 100 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°С. Ток фокусирующей катушки 0,4 А. Затем при напряжении 160 В, токе фокусирующих катушек - 0,4 А в камеру подается смесь реакционных газов - азота и ацетилена (15% ацетилена) и осаждают нижний слой покрытия TiCN толщиной 2,0 мкм. Затем при напряжении 160 В, токе фокусирующих катушек 0,4 А в камеру подается смесь реакционных газов - азота и ацетилена (40% ацетилена) и осаждают второй слой покрытия TiCN толщиной 2,0 мкм. Затем при напряжении 140 В, токе фокусирующих катушек 0,3 А в камеру подают реакционный газ - азот и осаждают третий слой покрытия (TiN) толщиной 2,0 мкм. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Стойкостные испытания проводили на вертикально-фрезерном станке модели 6Р12 торцевыми фрезами диаметром 125 мм при обработке конструкционной стали 5ХНМ. Испытывали твердосплавные пластины марки МК8, обработанные по известному и предлагаемому способам. Критерием износа служила фаска износа по задней поверхности шириной 0,4 мм.

Как видно из приведенных в табл.1 данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше износостойкости пластин, обработанных по способу-прототипу в 2,0 раза. Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно повысить износостойкость инструментов и сократить расход инструментальных материалов, что повышает эффективность применения инструмента с покрытиями. При этом при осаждении данного покрытия не требуется применение дорогостоящих тугоплавких материалов (цирконий, молибден и др.) и составных катодов специальной конструкции.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа повышения стойкости РИ следующей совокупности условий

Таблица 1 Результаты испытаний РИ с покрытием
№ пп	Материал покрытия	Толщина слоев покрытия, мкм	Стойкость, мин	Примечание
Первый слой	Второй слой	Третий слой
Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=157 м/мин, S=0,25 мм/зуб, t=2 мм, В=20 мм
1	TiN	6	-	-	38	Аналог
2	TiN-TiCN-TiN	2	2	2	131	Прототип
3	TiCN(15%)-TiCN(40%)-TiN	2	2	2	262	-
Обрабатываемый материал - 5ХНМ, V=247 м/мин, S=0,4 мм/зуб, t=2 мм, В=20 мм
5	TiN	6	-	-	45	Аналог
6	TiN-TiCN-TiN	2	2	2	128	Прототип
7	TiCN(15%)-TiCN(40%)-TiN	2	2	2	256	-

1. Инструментальный материал - МК8

- способ повышения стойкости РИ, воплощающий заявленный способ при его осуществлении, предназначен для использования в промышленности, а именно для нанесения износостойких покрытий на РИ, и может быть использован в металлообработке;

- для заявленного способа повышения стойкости РИ в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью известных до даты приоритета средств и методов;

- способ повышения стойкости РИ, воплощающий заявленный способ при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

1. Способ повышения стойкости режущего инструмента, включающий вакуумно-дуговое нанесение многослойного покрытия, состоящего из верхнего слоя из нитрида титана, промежуточного слоя из карбонитрида титана и нижнего слоя, нанесенных в среде реакционных газов, отличающийся тем, что в качестве нижнего слоя используют карбонитрид титана, который наносят в среде газовой смеси азота и 15% ацетилена, а нанесение промежуточного слоя осуществляют в среде газовой смеси при содержании ацетилена 40%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что многослойное покрытие наносят толщиной 6 мкм при толщине каждого слоя 2 мкм.