Способ нанесения высокотемпературного покрытия на режущий инструмент

Изобретение относится к области металлообработки, а именно к способам нанесения износостойких высокотемпературных покрытий на режущий инструмент из быстрорежущей стали или твердого сплава. Способ нанесения высокотемпературного покрытия на режущий инструмент включает нанесение на поверхность режущего инструмента в камере ионно-плазменной установки тугоплавкого слоя из нитридов металлов и проведение микродугового оксидирования. Упомянутый тугоплавкий слой наносят толщиной 1-12 мкм из нитридов металлов, выбранных из группы, включающей Al, Ti, Nb, Та, Zr, Cr, Hf, V и их сочетания. Затем проводят упомянутое микродуговое оксидирование при температуре обработки нитридного покрытия на поверхности инструмента в диапазоне 1000-5000°С для замещения упомянутых нитридов на оксид выбранного металла, содержащегося в замещенных нитридах, при обеспечении толщины оксидного слоя в пределах 0,2-4,0 мкм. Обеспечивается повышение работоспособности режущего инструмента и его качества. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области металлообработки, а именно, к способам нанесения износостойких высокотемпературных покрытий на инструмент, а именно, на режущий инструмент из быстрорежущей стали или твердого сплава, в том числе на инструмент для железнодорожного транспорта.

Известен способ получения износостойкого покрытия для режущего инструмента, описанный в патенте РФ №2494171, С23С 14/24, С23С 14/06, В23В 27/14 2013 г. Способ включает вакуумное ионно-плазменное нанесение износостойкого покрытия. Нижний слой наносят из нитрида соединения титана, алюминия и циркония при их соотношении, мас. %: титан 71,0-78,3, алюминий 6,7-10,0, цирконий 15,0-19,0. Затем наносят промежуточный слой из карбонитрида соединения титана, алюминия и циркония при их соотношении, мас. %: титан 71,0-78,3, алюминий 6,7-10,0, цирконий 15,0-19,0 и верхний из нитрида соединения титана и алюминия при их соотношении, мас. %: титан 85,0-90,0, алюминий 10,0-15,0. Слои покрытия наносят расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами. Первый и второй катоды выполняют составными из титана и алюминия и располагают противоположно друг другу, а третий изготавливают составным из титана и циркония и располагают между ними. Нижний и промежуточный слои наносят с использованием всех трех катодов, а верхний слой - с использованием первого и второго катодов. Недостатком данного метода является низкая стойкость, в связи с окислением нитрида титана при температурах, менее 900°С и снижением твердости покрытия.

Известен способ получения износостойкого покрытия, патент РФ №2494172, С23С 14/24, С23С 14/06, 2013 г. Способ включает вакуумное ионно-плазменное нанесение покрытия на основе сложного нитрида металлов с помощью нескольких дуговых испарителей. Нанесение покрытия осуществляют в среде азотокислородной смеси с содержанием кислорода 1÷3 масс. % при давлении 0,07÷0,45 Па с использованием по меньшей мере двух дуговых испарителей, один из которых содержит гафниевый или циркониевый катод, остальные титановые. На поверхности обрабатываемого инструмента образуется покрытие из нитридов титана и гафния (Ti,Hf)N или циркония (Ti,Zr)N, в объеме которого случайно расположены наноразмерные частицы оксидов гафния или циркония. В процессе осаждения покрытия в среде азотокислородной смеси в первую очередь образуются кристаллы HfO2 или ZrO2. Оптимальный диапазон содержания кислорода в реакционной газовой смеси - 1÷3 масс. %. Покрытие обладает высокой твердостью, превышающей почти в 2 раза твердость покрытия из нитридов титана и циркония или гафния.

Недостатком данного покрытия является его низкая работоспособность при высоких температурах резания (1000°С-1200°С). Это связано с тем, что наноразмерные частицы оксидов гафния или циркония в покрытии расположены случайно и не образуют сплошного слоя, кроме того покрытие не защищает поверхность материала основы от окисления при действии высоких температур.

В качестве прототипа выбран способ нанесения покрытия на режущий инструмент (RU 2615941 С1, МПК С23С 28/00, 11.04.2017). Способ включает нанесение на поверхность режущего инструмента в камере ионно-плазменной установки тугоплавкого барьерного слоя из нитридов металлов, с дальнейшим нанесением на этот нитрид слоя из «чистого», не связанного алюминия. На другой установке методом МДО (микродугового оксидирования) «чистый» алюминий окисляют до образования оксидов метастабильных(γ-,θ-,η-, Al2O3) и стабильных (α- Al2O3) модификаций. Нитридный слой толщиной~5 мкм, служит для минимизации проникновения жидкого алюминия к твердосплавной основе, исключения взаимодействия кобальта с алюминием и охрупчивания при меньших толщинах всей композиции. Окисление нитридного слоя в аналоге не предусматривается. Слой «чистого» алюминия толщиной 4-21 мкм оксидируется. При толщине «чистого» алюминия ниже 4 мкм невозможно получить α, γ-Al2O3 модификации. Таким образом, общая толщина покрытия получается ~9-25 мкм.

Недостатком данного способа является низкая стойкость покрытого инструмента из-за сколов покрытия указанной толщины при ударах на прерывистом резании (фрезеровании) и точении при тяжелых режимах резания (по ползунам, трещинам, неоднородной твердости в пределах детали) при обработке колесных пар и осей железнодорожного транспорта режущими пластинами типа LNMX301940, LNMX191940, RPUX 3010М0, RCMX3010M0, SNMM250724 и др. Кроме того, к недостаткам аналога можно отнести высокую себестоимость нанесения покрытия.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что на поверхность инструмента наносится нитридное покрытие из материалов группы Al, Ti, Nb, Та, Zr, Cr, Hf, V, Si, так и в их сочетании, толщиной 2-12 мкм. Далее методом МДО осуществляют процесс окисления нитрида(нитридов), их замещение на о оксинитриды и далее на оксиды наносимых материалов, или их комбинации. В отличие от аналога, в разработанном покрытии «чистый» металл (например, алюминий или титан) не наносится, а окисляется нитрид этого металла находящегося в предварительно нанесенном покрытии. Температура в зоне разряда при обработке нитридного покрытия на поверхности инструмента методом МДО, в зависимости от режимов окисления достигает диапазона 1000°-5000°С, этой температуры достаточно для замещения нитрида на оксид металла (обычно в печи-500°С-2000°С). Толщина оксидного и оксинитридного слоя определяется режимами работы установки и временем оксидирования и достигает 0,2-4,0 мкм. На поверхности инструмента по одной из химических реакций замещения, например, нитрида алюминия:

образуется сплошной слой Al203 с выделением окисла азота. Полученный сплошной слой Al203 обладает высокой теплостойкостью, инертностью к обрабатываемому материалу, защищает нижележащие слои покрытия от окисления.

Аналогичный эффект происходит и с другими нитридами материалов (Ti, Nb, Та, Zr, Cr, Hf, V, Si, так и в их сочетании) при окислении посредством метода МДО.

Технический результат состоит в повышении работоспособности режущего инструмента и его качества. Режущий инструмент содержит материал основы, с нанесенным износостойким покрытием, состоящим, по меньшей мере, из двух-трех слоев. На первом этапе, на установке PVD, на поверхность пластины наносят покрытие из нитридов металлов, как выбранных из группы Al, Ti, Nb, Ta, Zr, Cr, Hf, V, Si, так и в их сочетании. На втором этапе, в установке микродугового оксидирования (МДО) проводят процесс окисления с частичным замещением нитридов на оксиды. По мере получения методом МДО, оксид диффундирует к внешней границе покрытия, образуя сплошной оксидный слой, обладающий высокой теплостойкостью, инертностью к обрабатываемому материалу, защищает нижележащие слои покрытия от окисления.

Пример реализации предлагаемого способа

На первом этапе создания покрытия твердосплавные пластины марки МС221, формо-размера CNMG120408 промывают в ультразвуковой ванне, протирают спиртом и устанавливают на поворотном устройстве в вакуумной камере установки «Ионно-плазменной камерной вакуумной ННВ-6.6-И1» типа «Булат», снабженной тремя испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. Камеру откачивают до давления 1,5-2×10-5 мм.рт.ст., подают аргон до давления 1,5-2×10-3 мм.рт.ст., включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1000-1100 В, включают один испаритель (катод) из титана марки ВТ1 при токе дуги 130 А, производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 750-800 ОС в течение 10-15 мин. Затем снижают отрицательное напряжение до 120 В, включают два противоположных испарителя (катода) - из алюминия, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной от 1-14 мкм в течение 10-180 мин при давлении газа 3×10-3 мм.рт.ст. Температура конденсации при этом составляет 450-500°С. Затем выключают испарители, подачу реакционного газа и вращение поворотного приспособления, осуществляют остывание пластин в течение 45-50 мин.

На втором этапе получают на пластинах слой α-Al2O3 на установке микродугового оксидирования.

Для этого образцы с нанесенным на него нитридным покрытием устанавливают на токопроводящую оснастку, которую подключают к источнику тока.

В ванну заливают щелочной электролит, включают мешалку, которая его перемешивает. Для охлаждения электролита по контуру ванны пускают холодную воду. Ванну, являющуюся катодом, подключают к источнику тока.

Образцы на оснастке опускают в электролит. Плотность тока составила 17А/дм2. Время оксидирования 5- 60 мин. По окончании процесса оксидирования образцы достают из ванны, промывают и сушат в сушильном шкафу.

Стойкостные испытания проводили на токарно-винторезном станке 16К20. В качестве обрабатываемого материала использовалась конструкционная Сталь 50. Режимы резания: V=200 м/мин, S=0,2 мм/об, t=1,0 мм. Проводили испытания твердосплавных пластин CNMG120408-R4 марки МС221, с нанесенным по предлагаемому способу покрытием. За критерий затупления принимался износ по задней грани шириной 0,5 мм.

Из приведенных в табл.данных следует, что стойкость пластин с общей толщиной покрытия 2-12 мкм, и оксидным слоем 0,2-4,0 мкм обработанных по предлагаемому способу, выше стойкости серийных пластин с покрытием (AlTi)N.

Обработка колесных пар железнодорожного вагонов, проводилась на на колесо-токарном станке 1836М10 на следующих режимах резания: V=35 м/мин, S=1,2 мм/об, t=10,0 мм. Проводили испытания твердосплавных пластин LNMX301940 марки VT430 с нанесенным по предлагаемому способу покрытием (параметры покрытия соответствуют п. 4; п. 5; п. 2 таблицы 1.), по сравнению с пластинами LNMX301940 марки GC4025 фирмы «Sandvik Coromant» (Швеция) и инструмента с серийно применяемым покрытием AlTiN. Результаты испытаний сведены в табл. 2

Как следует из анализа результатов испытаний, стойкость инструмента с разработанным покрытием с общей толщиной 2-12 мкм, и оксидным слоем 0,2-4,0 мкм выше, чем стойкость инструмента, изготовленного фирмой «Sandvik Coromant» (Швеция) и отечественного серийного покрытия AlTiN. Стойкость инструмента полученным методом замещения по предлагаемому способу, выше стойкости пластин с покрытием, полученным оксидированием «чистого» алюминия из-за сколов последнего.

1. Способ нанесения высокотемпературного покрытия на режущий инструмент, включающий нанесение на поверхность режущего инструмента в камере ионно-плазменной установки тугоплавкого слоя из нитридов металлов и проведение микродугового оксидирования, отличающийся тем, что упомянутый тугоплавкий слой наносят толщиной 1-12 мкм из нитридов металлов, выбранных из группы, включающей Al, Ti, Nb, Та, Zr, Cr, Hf, V и их сочетания, после чего проводят упомянутое микродуговое оксидирование при температуре обработки нитридного покрытия на поверхности инструмента в диапазоне 1000-5000°С для замещения упомянутых нитридов на оксид выбранного металла, содержащегося в замещенных нитридах, при обеспечении толщины оксидного слоя в пределах 0,2-4,0 мкм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутое покрытие наносят на режущий инструмент из быстрорежущей стали или твердого сплава.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к износостойким многослойным покрытиям с алмазоподобным углеродом и может быть использовано в металлообработке, машиностроении, медицине, химической промышленности для повышения эксплуатационных характеристик изделий функционально различного назначения.

Изобретение относится к теплопоглощающему и теплоизлучающему стальному листу и элементу, выполненному из этого листа, которые могут быть использованы в качестве материала для корпуса устройства источника тепла, такого как электронный или электрический компонент.

Изобретение относится к способу получения поверхностно-обработанного титана или титанового сплава, используемого для применения в материале, выбранном из группы, состоящей из фотокаталитических материалов, материалов элементов фотоэлектрического преобразования, устойчивых к скольжению материалов и износостойких материалов.

Предложено многослойное антифрикционное покрытие и способ получения такого покрытия. Многослойное антифрикционное покрытие включает нижний слой, выбранный из группы, состоящий из CrN, TiN, TiAlN, TiAlVN, TiAlVCN, TiSiN, TiSiCN, TiAlSiN и их сочетаний, причем толщина нижнего слоя составляет от 5 до 25 мкм, способствующий адгезии слой, выбранный из группы, состоящей из Cr, Ti, Si, W, CrC, TiC, SiC, WC и их сочетаний, причем толщина способствующего адгезии слоя составляет от 5 до 15 мкм, при этом указанный слой прилегает к поверхности нижнего слоя, и антифрикционный слой из алмазоподобного углерода, причем толщина антифрикционного слоя составляет от 5 до 15 мкм, и указанный слой прилегает к поверхности способствующего адгезии слоя.

Изобретение относится к листу из текстурированной электротехнической стали и может быть использовано в качестве материала сердечника электрических трансформаторов, генераторов и т.п.

Изобретение относится к производству полосы, изготовленной из алюминия или алюминиевого сплава. Осуществляют обезжиривание и анодирование поверхности полосы посредством ее погружения в ванну с кислотным электролитом и приложения переменного тока для образования оксидного слоя на поверхности полосы.

Изобретение относится к элементу скольжения для двигателя внутреннего сгорания, снабженному износостойким покрытием (10), которое находится на по меньшей мере одной ходовой поверхности элемента скольжения, причем покрытие (10) изнутри наружу имеет карбидный или нитридный слой (16), расположенный на нем карбидсодержащий DLC-слой (17), расположенный на предыдущем слое свободный от металла PVD-DLC-слой (22) и размещенный на предыдущем слое свободный от металла PACVD-DLC-слой (18).

Изобретение относится к способу восстановления частично удаленного упрочненного ионным азотированием слоя стальной детали. Проводят электроэрозионное легирование графитовым электродом (ЦЭЭЛ) с энергией разряда, при которой зона термического влияния при легировании не превышает толщины остатка поверхностного слоя стальной детали, упрочненного упомянутым ионным азотированием.

Изобретение относится режущему инструменту с износостойким многослойным покрытием для механической обработки металлов со снятием стружки и способу изготовления упомянутого режущего инструмента.

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к химико-термической обработке, в частности к циклическому газовому азотированию легированных сталей с применением нанотехнологий, и может быть использовано при изготовлении деталей из конструкционных легированных сталей, работающих при высоких температурах в условиях контактных и ударных нагрузок.
Изобретение относится к способу получения компонента с заданным уровнем блеска. Способ включает этапы: подготовка компонента с по меньшей мере одним металлическим слоем, где данный по меньшей мере один металлический слой образует поверхность компонента, получение матово-глянцевой смеси путем смешения глянцевого лака и матового лака в заранее определенном соотношении, нанесение матово-глянцевой смеси на металлическую поверхность компонента, сшивка матово-глянцевой смеси, так что на металлической поверхности компонента оказывается нанесен слой из сшитой смеси глянцевого лака и матового лака.

Изобретение относится к способу получения гетероструктуры Mg(Fe1-xGax)2O4/Si со стабильной межфазной границей пленка/подложка, где х=0,05÷0,25. Осуществляют нанесение на полупроводниковую подложку монокристаллического кремния пленки галлий-замещенного феррита магния Mg(Fe1-xGax)2O4, где х=0,05÷0,25.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к ионной химико-термической обработке металлических изделий. Способ циркуляционного ионного азотирования металлического изделия в азотной среде под воздействием коронного разряда, включает проведение ионизации азота при давлении от 105 до 106 Па и температуре от 500 до 900°С под воздействием коронного разряда, образованного при напряжении на чередующихся коронирующих электродах от 20 до 40 кВ и токе на каждом из коронирующих электродов от 100 до 300 мкА, и осуществление циркуляции азотной смеси с помощью чередующихся коронирующих электродов с острыми коронирующими кромками, подключенных к высоковольтному источнику напряжения.

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

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

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида или карбонитрида ниобия и циркония при их соотношении, ат.

Изобретение относится к способу получения многослойного покрытия на режущем инструменте и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к покрытию изделий, инструментов и конструктивных элементов, которые должны иметь хорошие скользящие свойства или которые применяются в трибологических системах, в которых, как правило, должно применяться смазочное вещество для снижения трения.

Износостойкое покрытие для режущего инструмента может быть использовано в металлообработке. Покрытие представляет собой сложный нитрид титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия и тантала (TiZrNbVHfTa)N со стабильной однофазной структурой.

Изобретение относится к области вакуумно-плазменных химико-термических технологий обработки материалов и изделий и может быть использовано при химико-термической упрочняющей обработке методом азотирования конструкционных изделий из нержавеющей стали в машиностроении, приборостроении, нефтегазовой, аэрокосмической отраслях.

Изобретение относится к области износостойких покрытий на основе соединения борида алюминия–магния и может быть использовано для изготовления инструмента и различных деталей.

Изобретение относится к области металлообработки, а именно к способам нанесения износостойких высокотемпературных покрытий на режущий инструмент из быстрорежущей стали или твердого сплава. Способ нанесения высокотемпературного покрытия на режущий инструмент включает нанесение на поверхность режущего инструмента в камере ионно-плазменной установки тугоплавкого слоя из нитридов металлов и проведение микродугового оксидирования. Упомянутый тугоплавкий слой наносят толщиной 1-12 мкм из нитридов металлов, выбранных из группы, включающей Al, Ti, Nb, Та, Zr, Cr, Hf, V и их сочетания. Затем проводят упомянутое микродуговое оксидирование при температуре обработки нитридного покрытия на поверхности инструмента в диапазоне 1000-5000°С для замещения упомянутых нитридов на оксид выбранного металла, содержащегося в замещенных нитридах, при обеспечении толщины оксидного слоя в пределах 0,2-4,0 мкм. Обеспечивается повышение работоспособности режущего инструмента и его качества. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

Наверх