Способ получения износостойкого покрытия для режущего инструмента

Изобретение относится к способу нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Вакуумно-плазменным методом наносят износостойкое покрытие на основе нитрида или карбонитрида титана, содержащего кремний. Дополнительно используют легирующий компонент алюминий. Покрытие наносят двумя противоположно расположенными катодами из сплава титана и кремния, и расположенным между ними составным катодом из титана и алюминия. В результате повышается работоспособность режущего инструмента за счет повышения адгезионной прочности, снижения коэффициента отслоения покрытия и высоких остаточных сжимающих напряжений в покрытии. 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-плазменным 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. 123 с.). К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе покрытия имеют недостаточно высокую микротвердость, низкие остаточные сжимающие напряжения и недостаточную прочность сцепления с инструментальной основой. В результате этого покрытие в большей мере подвергается 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 нанесение износостойкого покрытия нитрида титана-кремния TiSiN вакуумно-плазменным методом (см. Свидетельство на полезную модель №30143), принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе покрытие обладает недостаточной прочностью сцепления с основой и низкими остаточными напряжениями сжатия. В результате покрытие плохо сопротивляется процессам износа и разрушения и быстро разрушается при резании.

Повышение в последнее время стоимости металлорежущего инструмента и ужесточение требований к точности обрабатываемых деталей сделало еще более актуальной проблему повышения стойкости РИ. Основной причиной разрушения покрытия является возникновение трещин из-за деформации режущего клина и адгезионно-усталостных явлений, являющихся причиной появления выкрашиваний материала износостойкого покрытия (ИП) и его отслоения на контактных площадках. Одним из путей повышения стойкости и работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многокомпонентного типа, содержащих легирующие элементы, способствующие повышению адгезионно-прочностных свойств покрытия.

Технический результат - повышение работоспособности РИ.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе на рабочие поверхности РИ вакуумно-плазменным методом наносится многокомпонентное покрытие тройной системы. Особенность заявляемого способа заключается в том, что в покрытии на основе нитрида или карбонитрида титана, содержащего кремний, в качестве дополнительного легирующего компонента используют алюминий, а покрытие наносят двумя противоположно расположенными катодами из сплава титана и кремния и расположенным между ними составным катодом, содержащим титан и алюминий.

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. Разрушение покрытия возможно в результате адгезионно-усталостных явлений на контактных площадках. В этих условиях покрытие должно иметь высокие остаточные сжимающие напряжения и прочность сцепления с инструментальной основой.

Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанной технологии получения, показали более низкие результаты.

Для экспериментальной проверки заявленного способа было нанесено покрытие-прототип, указанное в известном способе, а также покрытие, нанесенное по предлагаемому способу. Покрытия наносили на твердосплавные пластины в вакуумной камере установки "Булат-6", снабженной тремя вакуумно-плазменными испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости.

Ниже приведены конкретные примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. Покрытие TiSiAIN толщиной 6 мкм.

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. Используются два противоположно расположенных катода из сплава титана и кремния, и расположенный между ними составной катод, содержащий титан и алюминий. Камеру откачивают до давления 6,65-10^-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают один испаритель 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 отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,3 А включают все испарители, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие TiSiAIN толщиной 6,0 мкм. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Пример 2. Покрытие TiSiAICN толщиной 6 мкм.

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. Используются два противоположно расположенных катода из сплава титана и кремния и расположенный между ними составной катод, содержащий титан и алюминий. Камеру откачивают до давления 6,65·10^-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают один испаритель 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 отрицательном напряжении 160 В, токе катушек 0,4 А включают все испарители, подают в камеру смесь реакционных газов - азота и ацетилена с содержанием последнего 30% в смеси и осаждают покрытие TiSiAICN толщиной 6,0 мкм. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Прочность сцепления покрытия с инструментальным материалом оценивали путем непрерывного вдавливания алмазного индентора на твердомере ТК-2М при нагрузке 600Н. За критерий оценки адгезионно-прочностных свойств композиции "покрытие - инструментальный материал" принят коэффициент отслоения К_о, определяемый как отношение площади отслоения покрытия к площади отпечатка индентора.

Остаточные напряжения в покрытии определяли на рентгеновском дифрактомере "ДРОН-3".

Стойкостные испытания проводили на токарном станке модели 16К20 резцами со сменными многогранными пластинами из твердого сплава МК8 при обработке заготовок из конструкционной стали 30ХГСА. 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, наличие в покрытии алюминия приводит к повышению адгезионной прочности (о чем свидетельствует снижение коэффициента отслоения) и увеличению уровня остаточных напряжений. Стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше износостойкости пластин, обработанных по способу-прототипу, в 1,4-1,6 раза.

Таблица 1 Результаты испытаний РИ с покрытием
№ пп	Материал покрытия	Толщина покрытия, мкм	Коэффициент отслоения К0	Остаточные напряжения сжатия, МПа	Стойкость, мин	Примечание
1	2	3	4	5	6	7
Обрабатываемый материал - 30ХГСА, V=180 м/мин, S=0,15 мм/мин, t=1,0 мм
1	TiN	6	1,2	775	45	Аналог
2	TiSiN	6	1,5	1070	79	Прототип
3	TiSiAIN	6	1,2	1210	110	-
4	TiSiAICN	6	1,3	1380	126	-

1. Инструментальный материал - МК8

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа получения износостойкого покрытия для РИ следующей совокупности условий:

- способ получения износостойкого покрытия для 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 получения износостойкого покрытия для 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 получения износостойкого покрытия для РИ, воплощающий заявленный способ, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Способ получения износостойкого покрытия для режущего инструмента, включающий вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия на основе нитрида или карбонитрида титана, содержащего кремний, отличающийся тем, что дополнительно используют легирующий компонент алюминий, а покрытие наносят двумя противоположно расположенными катодами из сплава титана и кремния и расположенным между ними составным катодом, содержащим титан и алюминий.