Способ ионного азотирования режущего инструмента из легированной стали

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам химико-термической обработки деталей из легированных инструментальных сталей, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения режущего инструмента. Способ ионного азотирования режущего инструмента из легированной стали включает размещение режущего инструмента в рабочей камере, активирование его поверхности перед ионным азотированием, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев режущего инструмента до температуры азотирования и его выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины диффузионного слоя. Активирование поверхности режущего инструмента перед ионным азотированием проводят путем ионно-имплантационной обработки режущих кромок инструмента с помощью ионов иттербия или ионов иттербия и азота при энергии ионов от 20 до 25 кэВ, дозе облучения от 1,2⋅10¹⁷ см^-2 до 2,0⋅10¹⁷ см^-2. В частных случаях осуществления ионное азотирование проводят до получения толщины азотированного слоя в диапазоне от 12 мкм до 30 мкм. После ионного азотирования наносят многослойное покрытие из чередующихся слоев титана и нитрида титана или титана и нитрида титан-алюминия при толщине слоя титана 0,3…0,4 мкм и толщине слоя нитрида титана или нитрида титан-алюминия 1,0…2,0 мкм, при общей толщине многослойного покрытия от 10 мкм до 16 мкм. Ионную имплантацию, ионное азотирование и нанесение многослойного покрытия осуществляют в одном технологическом цикле вакуумной установки. Обеспечивается повышение износостойкости режущего инструмента 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из легированных инструментальных сталей, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения режущего инструмента.

К эксплуатационным характеристикам режущего инструмента относятся такие показатели, как скорость обработки, толщина срезаемого слоя, износ инструмента и др. При этом к наиболее важным показателям относится износостойкость режущего инструмента, т.е. продолжительность его работы до наступления критического износа.

Как правило, повышение износостойкости режущего инструмента обеспечивают либо за счет применения новых материалов, либо модификацией физико-механических свойств традиционных материалов режущего инструмента.

Одним из эффективных методов, предлагаемых и используемых при решении задачи повышения износостойкости режущего инструмента, является метод химико-термической обработки (ХТО), в частности ионное азотирование.

Широко известны процессы упрочнения поверхности деталей методами ХТО. Известен, например, способ химико-термической обработки стальных изделий, включающий диффузионное насыщение элементами внедрения и замещения и последующий нагрев поверхности изделия. (А.С. СССР №1515772, МПК С23С 8/00. СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ. Бюл. №36, 2013 г.).

Известен способ ХТО деталей, заключающий в высокотемпературном азотировании, закалке с последующим отпуском [Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. М.: Машиностроение, 1976, с. 99-102.] В результате обработки получают высокоазотистый слой небольшой толщины. Такой слой хорошо противостоит коррозии в атмосфере, но плохо работает при высоких изгибных, контактных напряжениях и в условиях повышенного износа.

Известны также ионно-плазменные методы химико-термической обработки, например методы ионного азотирования в плазме тлеющего разряда постоянного или пульсирующего тока, которые включают в себя две стадии - очистку поверхности катодным распылением и собственно насыщение поверхности металла азотом [Теория и технология азотирования / Лохтин Ю.М, Коган Л.Д. и др. // М.: Металлургия, 1990, С. 89].

Известен также способ химико-термической обработки металлов и сплавов, при котором на стадии очистки изделий тлеющий разряд периодически переводят в импульсную электрическую дугу. Это позволяет интенсифицировать процесс за счет быстрого разогрева обрабатываемой поверхности в первые минуты до более высоких температур, чем температура процесса азотирования (А.С. СССР 1534092, МПК С23С 8/36, опубл. 07.01.90; BG 43787. МПК С23С 8/36. METHOD FOR CHEMICO-THERMIC TREATMENT IN GLOWING DISCHARGE OF GEAR TRANSMISSIONS. 1988).

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ ионного азотирования режущего инструмента из легированной стали, включающий размещение режущего инструмента в рабочей камере, активирование его поверхности перед ионным азотированием, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев режущего инструмента до температуры азотирования и его выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины диффузионного слоя. (патент РФ №2241782. МПК С23С 14/48. СПОСОБ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА, опубл. 10.12.2004). При этом активирование поверхности режущего инструмента проводят путем предварительной ионной очистки поверхности в нагретом состоянии при пониженном давлении газа путем создания электродугового разряда между эмиссионным катодом и вспомогательным анодом с образованием в межэлектродном пространстве плазмы, подачу отрицательного напряжения на обрабатываемый режущий инструмент с последующей обработкой ее поверхности положительно заряженными ионами. Ионную очистку поверхности ведут при напряжении 500-1500 В.

Недостатками известных способов и прототипа являются невысокая износостойкость поверхности детали из-за неоднородности диффузионного слоя и образования в диффузионном слое хрупких фаз, высокая вероятность возникновения дефектных участков, а также низкая производительность насыщения поверхностного слоя материала детали в процессе ХТО. Для удаления дефектных участков поверхностного слоя после ХТО проводится шлифование, однако при удалении обедненного дефектного слоя часто образуются прижоги и ряд других характерных дефектов поверхностного слоя, в результате чего снижается износостойкость деталей.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества ионного азотирования режущего инструмента за счет высокоэнергетической активации и обеспечения однородного состояния материала поверхностного слоя перед ионным азотированием и, как следствие, повышение износостойкости режущего инструмента.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение износостойкости режущего инструмента.

Технический результат достигается тем, что в способе ионного азотирования режущего инструмента из легированной стали, включающем размещение режущего инструмента в рабочей камере, активирование его поверхности перед ионным азотированием, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев режущего инструмента до температуры азотирования и его выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины диффузионного слоя, в отличие от прототипа активирование поверхности режущего инструмента перед ионным азотированием проводят путем ионно-имплантационной обработки режущих кромок инструмента с помощью ионов иттербия или ионов иттербия и азота при энергии ионов от 20 до 25 кэВ, дозе облучения от 1,2⋅10¹⁷ см^-2 до 2,0⋅10¹⁷ см^-2. Кроме того, возможно использование в способе следующих дополнительных приемов: ионное азотирование проводят до получения толщины азотированного слоя в диапазоне от 12 мкм до 30 мкм; после ионного азотирования наносят многослойное покрытие из чередующихся слоев титана и нитрида титана или титана и нитрида титан-алюминия при толщине слоя титана 0,3…0,4 мкм и толщине слоя нитрида титана или нитрида титан-алюминия 1,0…2,0 мкм, при общей толщине многослойного покрытия от 10 мкм до 16 мкм; ионную имплантацию, ионное азотирование и нанесение многослойного покрытия осуществляют в одном технологическом цикле вакуумной установки.

Повышение требований к упрочняющей обработке деталей машин и режущего инструмента послужили поводом для совершенствования методов насыщения поверхности легирующими элементами и привели к созданию ряда новых способов обработки, таких как ионное азотирование [Теория и технология азотирования / Лахтин Ю.М., Коган Л.Д. и др. // М.: Металлургия, 1990, С. 89] и ионная имплантация [например, патент РФ №2496910. МПК С23С 14/02. СПОСОБ ИОННО-ИМПЛАНТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ИЗ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ. Бюл. №30, 2013]. Ионная имплантация позволяет производить насыщение поверхностного слоя деталей практически любыми легирующими элементами, а детали, упрочненные методом ионной имплантации, имеют гораздо более высокие эксплуатационные свойства, чем детали, подвергнутые обычной или ионной химико-термической обработке [Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. / Под ред. Д.М. Поута, Г. Фоти, Д.К. Джекобсона / М.: Мир, 1987, 424 с.; Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. / под ред. Дж. М. Поута. М.: Машиностроение, 1987. - 424 с.]. При этом основными недостатками ионно-имплантационной обработки являются дороговизна метода и незначительная глубина проникновения легирующих элементов в поверхностный слой материала детали.

Для оценки эксплуатационных свойств режущего инструмента, обработанного по предлагаемому способу, были проведены следующие испытания. Образцы из быстрорежущих и высоколегированных сталей Р6М5, 11Х4 В2МФЗС2, Р12, ХВСГФ, 9Г2Ф (в частности, сталь ЭП-657МП (долбежный инструмент) сталь Р6М5 (резцы токарные, протяжки) и др.) инструментов были подвергнуты обработке как по предлагаемому способу, так и по способу-прототипу (патент РФ №2241782) согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки. Критерием износостойкости режущего инструмента являлся ресурс его работы. Удовлетворительным результатом (У.Р.) считался результат, приводивший к повышению ресурса режущего инструмента, обработанного по предлагаемому способу, приводивший к повышению ресурса инструмента не менее чем в 1,4 раза по сравнению с прототипом (патент РФ №2241782).

Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.

Ионная имплантация при обработке режущего инструмента из легированных сталей перед ионным азотированием проводилась по следующим режимам: имплантируемые ионы азота или иттербия или их комбинация; доза - 1,0⋅10¹⁷ см^-2 - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 1,2⋅10¹⁷ см^-2 - удовлетворительный результат (У.Р.); 1,4⋅10¹⁷ см^-2 - (У.Р.); 1,5⋅10¹⁷ см^-2 - (У.Р.); 1,7⋅10^-17 см^-2 (У.P.); 2,0⋅10¹⁷ см^-2 (У.P.); 2,2⋅10¹⁷ см^-2 (H.P.); энергия ионов: 18 кэВ (Н.Р.); 20 кэВ (У.Р.); 22 кэВ (У.Р.); 25 кэВ (У.Р.); 27 кэВ (Н.Р.).

Режущий инструмент обрабатывали ионным азотированием (отличие предлагаемого способа от существующих способов состояло в предварительной активации поверхности ионно-имплантационной обработкой).

Процесс ионной имплантации и ионного азотирования проводился на модернизированной многофункциональной установке «Виктория-2М».

Испытания показали повышение износостойкости режущего инструмента по сравнению с прототипом в 1,4…2,2 раза (т.е. в результате использования высокоэнергетической активации поверхности перед ионным азотированием). Исследования обработанных образцов показали повышение однородности структуры диффузионной зоны материалов.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе ионного азотирования режущего инструмента из легированной стали следующих существенных признаков: размещение режущего инструмента в рабочей камере, активирование поверхности режущего инструмента перед ионным азотированием; подачу в камеру рабочей насыщающей среды; нагрев режущего инструмента до температуры азотирования и его выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины диффузионного слоя; проведение активирования поверхности режущего инструмента перед ионным азотированием с помощью ионов иттербия или ионов иттербия и азота при энергии ионов от 20 до 25 кэВ, дозе облучения от 1,2⋅10¹⁷ см^-2 до 2,0⋅10¹⁷ см^-2, а также при использовании следующих дополнительных приемов: проведение ионного азотирования до получения толщины азотированного слоя в диапазоне от 12 мкм до 30 мкм; нанесение после ионного азотирования многослойного покрытия из чередующихся слоев титана и нитрида титана или титана и нитрида титан-алюминия при толщине слоя титана 0,3…0,4 мкм и толщине слоя нитрида титана или нитрида титан-алюминия 1,0…2,0 мкм, при общей толщине многослойного покрытия от 10 мкм до 16 мкм; осуществление ионной имплантации, ионного азотирования и нанесение многослойного покрытия в одном технологическом цикле вакуумной установки, позволяет обеспечить заявленный технический результат предлагаемого изобретения - повышение износостойкости режущего инструмента.

1. Способ ионного азотирования режущего инструмента из легированной стали, включающий размещение режущего инструмента в рабочей камере, активирование его поверхности перед ионным азотированием, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев режущего инструмента до температуры азотирования и его выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины диффузионного слоя, отличающийся тем, что активирование поверхности режущего инструмента перед ионным азотированием проводят путем ионно-имплантационной обработки режущих кромок инструмента с помощью ионов иттербия или ионов иттербия и азота при энергии ионов от 20 до 25 кэВ, дозе облучения от 1,2⋅10¹⁷ см^-2 до 2,0⋅10¹⁷ см^-2.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ионное азотирование проводят до получения толщины азотированного слоя в диапазоне от 12 мкм до 30 мкм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после ионного азотирования наносят многослойное покрытие из чередующихся слоев титана и нитрида титана или титана и нитрида титан-алюминия при толщине слоя титана 0,3…0,4 мкм и толщине слоя нитрида титана или нитрида титан-алюминия 1,0…2,0 мкм, при общей толщине многослойного покрытия от 10 мкм до 16 мкм.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что после ионного азотирования наносят многослойное покрытие из чередующихся слоев титана и нитрида титана или титана и нитрида титан-алюминия при толщине слоя титана 0,3…0,4 мкм и толщине слоя нитрида титана или нитрида титан-алюминия 1,0…2,0 мкм, при общей толщине многослойного покрытия от 10 мкм до 16 мкм.

5. Способ по п. 3 или 4, отличающийся тем, что ионную имплантацию, ионное азотирование и нанесение многослойного покрытия осуществляют в одном технологическом цикле вакуумной установки.