Режущий инструмент и способ его изготовления

СОЮЭ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 9)ЬОп ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕН ОМИТЕТ СССРИЙ И ОТКРЫТИЙ ИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ИЯ следова- институт ае ние свойс получен- потоков физика нв,йф 3,в СПОСО т,. содер нову с н йким пок гоплавкнх ментами и ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ,кл, 148-315, 1978.ПатентСША В 4169913,кл. 428-217, 1979.Андреев А.А. Исследоваконденсатов Ть-.М, Ег-ных осаждением плазменнйхв вакууме (способ КИБ),химия обработки материало1980, с. 64"67.(54) РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ(57) 1. Режущий инструменжащий инструментальную осиесенным на нее износосторытием, выполненньщ из тусоединений металлов с эле 4 С 23 С 14/24 В 23 Р 15 группы С, И, О, В, 31, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью увеличения стойкости инструмента, кристаллическая решетка покрытия ориентирована кристаллографической плоскостью с минимальной поверхностной энергией параллельно поверхности инструментальной основы.2. Способ изготовления режущего инструмента, включающий предварительный нагрев инструментальной осиовы до температуры ниже температуры ее разун с одновременной очисткой поверхности основы бом-, бардировкой ионами наносимого материала в вакууме путем приложения ускоряющего напряжения к основе с последующим нанесением покрытия на наг. ретую основу в атмосфере газа-реагента при температуре ниже температуры разупрочнения основы, о т л ич а ю щ и й с я тем., что нагрев поверхности при очистке инструментальной основы осуществляют до температуры ниже температуры ее раэуп-. рочнения не более, чем на 100 С, а.нанесение покрытия проводят при тем- пературе не менее 50 С и давлении газа-реагента 1,3-2,65 10 Па.111Изобретение относится к областиметаллообработки, в частности к режущему .инструменту с улучшеннымиэксплуатационными свойствами за счетиспользования износостойких пок"рытий из тугоплавких соединений, иможет найти широкое применение винструментальной промышленности.Известен режущий инструмент сизносостойким покрытием на основеТ, Ег, Нй, 7 ЮЬ, Та и элементовиз группы С, Ю, В.Недостатком известного инструмента является низкая стойкость, связанная с высоким уровнем свободнойповерхностной энергии, что приводитк усилению взаимодействия между обрабатываемым и инструментальнымматериалом в процессе резания, следствием которого является интенсифи. кация явлений, приводящих к износуинструмента. Высокий уровень свободной поверхностной энергии в известном покрытии связан с ориентацией покрытия параллельно поверхности основы кристаллографическойплоскостью (220), имеющей высокийуровень свободной энергии,Известен также способ изготовления режущего инструмента с износо стойким покрытием, включающий нанесение покрытия.в вакууме из ионизованной металлической компонентыв присутствии газа-реагента,на немнагретую инструментальную основу, ккоторой приложен потенциал смещения.Недостатком известного способаявляется низкая стойкость инструмента, обусловленная низкой миграционной способностью адатомов на ненагретой основе, что приводит к получению шокрытий, состоящих из,микрокристаллов, преимущественно ориентированных относительно инструментальной основы плоскостью (200), имею.щей высокий уровень поверхностнойэнергии.Наиболее .близким техническим решением к изобретению является режущий инструмент, содержащий инструментальную оснбву с нанесеннымна нее износостойким покрытием, выгполненным из тугоплавких соединенииметаллов с элементами из группы С,Я, О, В, 81.Недостатком известного режущегоинструмента является его низкаястойкость, обусловленная ориентаци 0212 2ей микрокристаллов покрытия парал- .лельно инструментальной основе кристаллографической плоскости (200),отличающейся высоким уровнем поверхностной энергии,Наиболее близким к предлагаемомуспособу является пособ, вКлючающийпредварительный нагрев основы дотемпературы, ниже температуры ееО разупрочнения с одновременной. очисткой поверхности основы бомбардировкой ионами наносимого материала в вакууме путем приложения ускоряющегонапряжения к инструменту с последу 15 ющим нанесением покрытия на нагретуюоснову в атмосфере газа-реагента притемпературе, ниже температуры ее разупрочнения.Недостатком указанного способа яв 20 ляется низкая стойкость инструмента, обусловленная отсутствием преимущественной ориентации микрокристаллов покрытия, обеспечивающей низкийуровень поверхностной энергии.Целью изобретения является увеличение стойкости инструмента,Цель достигается тем, что в режущем инструменте, содержащем инструментальную основу с нанесенным наЗ 0 нее износостойким покрытием, выполненным из тугоплавких соединений металлов с элементами йз группы С, Н,О, В, 8, кристаллическая решеткапокрытия ориентирована кристалло 35 графической плоскостью с минимальной поверхностной энергией параллельно поверхности инструментальнойосновы, а также тем, что согласнопредложенному способу изготовления40 режущего инструмента, включающемупредварительный нагрев инструментальной основы до температуры нижетемпературы ее разупрочнения с одновременной очисткой поверхности осно"45 вы ионами наносимого материала ввакууме путем приложения ускоряющего напряжения к основе с последующим нанесением покрытия на нагретуюоснову в атмосфере газа-реагента50 при температуре ниже температуры ееразупрочнения, нагрев поверхностипри очистке инструментальной основы.осуществляют до температуры нижетемпературы ее разупрочнения не бо 55 лее, чем на 100 С, а нанесение покрытия проводят при температуре основыне менее 50 С и давлении газа-реагента 1,3"2,6510 Па.1110212 4 5 0 15 20 25 30 55 3Сущность предложенного технического решения состоит в том, что приопределенных условиях формирования. покрытия, характеризующихся режимными параметрами, покрытие наноситсяна основу таким образом, что егокристаллическая решетка ориентирована кристаллографической плоскостью,обладающей минимальной поверхностнойэнергией, параллельно поверхностиинструментальной основы, что снижает износ инструмента и, соответственно, увеличивает его стойкость,На фиг, 1 изображен предлагаемыйрежущий инструмент; на фиг2 - покрытие, имеющее кристаллическую решетку типа ИаС 1с преимущественнойориентацией кристаллической решеткипокрытия плоскостью (111) параллельно инструментальной основе, видсверху; на фиг. 3 - положение плоскости (111) в кристаллической решетке покрытия с кристаллической ре- .шеткой типа ЯаС 1.Предлагаемый режущий инструмент,состоящий из основы 1, выполненныйиз любого инструментального материала, и нанесенного на нее слоя износостойкого покрытия 2, представляющего собой тугоплавкое соединение металлов с,элементами из группыС, М, О, В, 8, работает следующимобразом.В процессе резания происходитизнос режущих.кромок инструмента,Механизм износа носит комплексныйхарактер и определяется не толькомеханическим воздействием обрабатываемого материала на режущий инструмент, но и такими явлениями, как.адгезионное схватывание инструментального и обрабатываемого материалов, химическое взаимодействие между ними и диффузионными процессами,Известно, что внутреннюю энергиюсистемы частиц определяют потенциалы их взаимодействия, Уровень поверхностной энергии кристаллогра,фической плоскости тем выше, чем вменьшей степени насыщены валентныесвязи расположенных в ней атомов.Следствием этого является .стремлениеповерхностных атомов инструментального материала к насыщению своихвалентных связей посредством взаимодействия с атомами вещества обрабатываемого материала,В:предлагаемом режущем инструмен.те с покрытием, состоящим из микрокристаллов, преимущественно ориентированных параллельно поверхности инструментальной основы кристаллографической плоскостью с минимальной поверхностной энергией, межмолекулярное взаимодействие междуинструментальным и обрабатываемымматериалом сведено до минимума,что приводит к снижению интенсивности процессов адгезионного, химического и диффузионного характера и темсамым уменьшает износ инструмента.В процессе резания на контактнойплощадке выделяется тепло, котороеактивирует процессы межмолекулярного взаимодействия веществ, приводящие к износу инструмента. Преимущественная ориентация микрокристалловпокрытия параллельйо инструментальнойоснове плоскостью с минимальной поверхностной энергией, имеющей высокую плотность упаковки, улучшает теплоотвод из зоны резания, что также способствует уменьшению износа и инструмента.Предложенный способ изготовления режущего инструмента осуществляется в вакуумной камере, оснащенной эдектродуговым источником плазмы. Способ включает очистку и нагрев в вакууме поверхности инструментальной основы бомбардировкой ионами наносимого материала посредством приложения ускоряющего напряжения к основе 35и нанесение покрытия при напуске в камеру газа-реагента с одновременным снижением ускоряющего напряжения и поддержанием температуры основы ниже температуры ее разупроч" 40 нения в процессе формирования покрытия регулированием напряжения на инструменте,Особенностью способа являетсято, что предварительный нагрев поверхности при очистке инструментальной основы осуществляют до температуры ниже температуры ее разупрочнения не более, чем на 100 С, а нанесение покрытия проводят при температуре основы це менее 50 С и давлении газа-реагента 1,3-.2,65 10 Па обеспечивающих на рентгенограмме покрытия максимальную интенсивность рентгеновского излучения от нлоскости кристаллической решетки с минимальной поверхностной энергией.Предварительный нагрев инструментальной основы и нагрев ее в процессе формирования покрытия должен1110212 Ьбыть ниже температуры ее разупроч- и на червячные фрезы ф 24 мм, изнения с целью сохранения стойкост- готовленные из стали 9 ХС, наносиных характеристик режущего инстру- лись износостойкие покрытия методоммента, При предварительном разог- конденсации с ионной бомбардировкойреве основы до температуры ниже тем- на установке "Булат-зМ" при раэлич 5пературы ее раэупрочнения более, . ном сочетании температуры разогречем на 100 С, количество тепла, ак- ва основы и давления газа-реагента.кумулирующееся в объеме инструмента, Одновременно с инструменом в канедостаточно для интенсификации ме- меру устанавливался образец из маталлургическалл гических и химических реакций 10 териала инструмента для проведениямежду материалами покрытия и основы рентгеноструктурных исследований покобеспечивающих адгезию покрытия к . рытий. Вакуумная камера, оснащеннаяоснове, и для взаимоде сействия компо- электродуговым источником плазмы,0 Пнентов покрытия ри. П и нагреве инст- откачивалась до давления 6,65 10 Па,рументальной основы в проце ероцессе на после чего зажигалась электрическаянесения покрытия до тытия до теивературы дуга, обеспечивающая испарение и иониже 50 С подвижность адатомов осаж- низацию металла катода. На режущийдаемого вещества становится недос- инструмент подавалось отрицательноетаточнои для формированф мир вания конденса- напряжение ускоряющее положительноФта поликристаллической структуры, 20 заряженные ионы металла для очисткимикрокристаллы которого имеют пре- поверхности и разогрева инструмента.имущественную ориентацию. При сни- После разогрева инструментальнойженин температуры инструментальной основы в камеру вводился газ-реагент,основы ниже 50 С осаждаются слои, одновременно снижалось напряжение наотличающиеся менее упорядоченной 25 режущем инструменте,структурой, и эффект от нанесения Толщина покрытия измерялась приориентированного износостойкого пок- увеличении 800 на шпифе в сечений,рытия резко снижается. На рентгено- перпендикулярном поверхности покрыграмме покрытия снижение степени тия. Температура нагрева основыупорядоченности его микрокристаллов ЗО измерялась инфракрасным пирометромотражается в снижении пика дифрак- через. смотровое окно, Рентгенограмции рентгеновского излучения от плос- мы покрытий были получены на аппакости их преимущественной ориентации, рате "Дрон" при воздействии наДавление газа-реагента подбира- образцы рентгеновского Ре-К излуется опытным путем по результатам чения.рентгеноструктурного анализа тугоплавкого соединения, образующего ли Р 6 И 5 наносились покрытия из нитслой покрытия. Требованием к величи- рида титана или оксикарбонитрида гафне давления газа-реагента является ния и титана или боросилицида титаобеспечение преимущественной ориента- на, для чего сверла разогревались.иции мнкрокристаллов покрытия криста очищались бомбардировкой ионами ма"лографической плоскостью с миннмаль териала катода, выполненного иэ тиной поверхностной энергией параллель- тана, сплава гафния и титана соответно поверхности основы, причем вели ственно. На сверла подавался ускорячина давления зависит от состава ме- ющий потенциал - 1,0 кВ.45таллической компоненты покрытия и По достижении температуры разогсвойств конкретного газа-реагента. рева 500 С в камеру вводился гаэМетод конденсации с ионной бом- реагент: .бардировкой при соблюдении ряда ус- для образования покрытия из нитловий позволяет получать текстури- рида титана - азот;ованные покрытия, характеризующие- для покрытия из смешанного оксикар;рованные покры я,ся преимущественной ориентацией дру- бонитрида титана и гафния -гих кристаллографических плоскостей зов: 403 азота, 403 ацетилена и 20 Жмикрокристаллов параллельно поверх- кислррода;ности нинструментальной основы,55для покрытия из боросилицида тиОбразцы и условия изготовления тана - смесь газов: 5 силана ирежущего инструмента, 95 Х диборана,На сверламм, из5 изготовленные Одновременно ускоряющее напряже"иэ стали Р 6 М 5 и твердого сплава ВКЗ, ние на инструменте снижалось таким110212 8основы 650 С и давлении азота 1,33х 10Па.П р и м е р 3. На червячные фрезы из стали 9 ХС наносилось покрытиенз ннтрида алюминия, Порядок операций тот же, что и в примерах 1 и 2.Толщина покрытия из нитрида алюминия10 мкм, фреэы испытывались при зубонарезании .колес из латуни ЛС 591 Т при 1 О скорости резания 60 м/мин, подаче0,39 мм/зуб, направление подачипопутное и СОЖ - сульфофрезол. Критерий затупления - износ по заднейповерхности 0,3 мм. Испытания пока зали, что наибольшую стойкость имеютфреэы с покрытиями, полученными притемпературе предварительного нагреова основы 200 С и давлении азота1,3 Па.20 71образом, что температура сверл впроцессе нанесения покрытия поддерщивалась равной 400 С за счет регулирования напряжения в пределах150-300 В,Покрытия наносились при 5-6 различных значениях давления газа-реагента в диапазоне 1,3-2,6510Па,Во всех опытах время нанесенияпокрытия 45 мин, толщина 5 мкм.Все полученные покрытия былиподвергнуты рентгеноструктурному анализу в целях определения высоты пика дифракции рентгеновского излучения от плоскости с минимальнойповерхностной энергией. Нитрид титана имеет кристаллическую решеткутипа ИаС 1, у которой минимальнойповерхностной энергией обладает плоскость (111).Сверла с покрытием из нитридатитана испытывались при сверленииотверстий в стали 45, Режим резания: скорость Ч = 45 м/мин, подачаЯ = О, 18 мм/об., глубина отверстия15 мм. За критерийизноса принимался скрип сверла. Коэффициент повышения стойкости оценивался .какотношение среднего для сверл (50)количества отверстий, просверленных предлагаемым инструментом, кколичеству отверстий, просверленныхжструментом, выполненным по способупрототипу,Результаты рентгеноструктурногоанализа и стойкостных испытаний показывают, что наибольшую стойкостьимеют сверла с покрытиями, отличающимися миксимальной высотой пикадифракции от плоскости (111), полученными при температуре предварительного нагрева основы 500 С идавления азота 1,3. Па.П р.и м е р 2. На сверла и образцы для рентгеноструктурного анализа из сплава ВК 8 наносилось покрытие из нитрида тантала. Порядокопераций аналогичен примеру 1. Тол,щина покрытия во всех опытах с покрытием этого состава 4 мкм,Сверла испытывались при сверлении отверстий в графите при скорос.ти резания 68 м/мин, подаче О, 18 мм/об.,глубине отверстий 16 мм. Критерийзатупления - износ по ленточке 0,6 мм.Результаты испытаний показывают,что наибольшую стойкость имеют свер"ла с покрытием, полученным при температуре предварительного нагрева Сопоставление данных рентгеноструктурного анализа с результатамистойкостных испытаний во всех приведенных примерах показывает, чтостойкость инструмента, изготовленного из различных материалов с покрытиями различных составов при обработке разнообразных материалов, темвыше, чем больше интенсивность дифракции рентгеновского излучения от.плоскости кристаллической решеткимикрокристаллов покрытия, имеющейминимальную поверхностную энергию.П р и м е р 4, Режущие пластины 352008-1109 из твердого сплава ВК 6,изготовленные в одной партии, былиупрочнены нанесением износостойкогопокрытия из нитрида титана тремяразличными методами: конденсацией 4 с ионной бомбардировкой по предложенному способу, реактивным электронно-плазменным и гаэофазным. Предлагаемым способом покрытие из нитрида титана наносилось на установке 4Булат/ЗМ при соблюдении последо-вательности операций, описанной впримере 1. При предварительном разогреве на пластины подавалось отрицательное напряжение 1,5 кВ, разог- .рев пластин осуществлялся до темпеоратуры 650 С, после чего в камерувводился азот при давлении (2,65-4)кх 10 .Па, При нанесении покрытия регулированием ускоряющего напряжения 55поддерживалась температура пластин300 С. Толщина слоя нитрида титана .составляла 6 мкм, Пластины испытывались при точении стали 45 при режимах резания: скорость 150 м/мнн,арош ед М.Ходанич ректо аз 633/ 1 Тираж 937ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб д,одписное 5 водственнопредприя а 9 11102подача 0,45 мм/об., глубина резания1 мм.Из рентгенограмм было видно, чтопокрытия, нанесенные предлагаемымметодом, состоят из микрокристаллов,преимущественно ориентированныхплоскостью (Ш) параллельно поверхности основы; в покрытиях, нанесенных методом реактивного электронноплазменного нанесения, микрокристаллы преимущественно ориентированыпараллельно основе плоскостью (200),а в покрытиях, нанесенных газофаэным методом, - плоскостью (220),15 Проведенный комплекс стойкостных .испытаний режущего инструмента с различными износостойкимипокрытиями показал превышение стойкости режущего инструмента с покрытием, имеющим 20 преимущественную ориентацию микро- кристаллов кристаллографической плоскостью с минимальной поверхностной энергией параллельно основе, над стойкостью инструмента, имею щего преимущественную ориентацию микрокристаллов покрытия параллельно основе как кристаллографической плоскостью (220), так и плоскостью ЮРедактор Т. Загребельная 1210(200), имеющими более высокий уровень свободной энергии.Испытания режущего инструмента с покрытием, имеющим преимуществен-, ную ориентацию микрокристаллов параллельно основе плоскостью с минималь" ной поверхностной энергией, показали, что стойкость инструмента за" висит от степени упорядочения структуры покрытия и что на рентгенограмме покрытия отражаются в высоте пи-. ка дифракции рентгеновского излучения от этой плоскости, Режущий инструмент с покрытием, на рентгенограмме которого пик дифракции рентгеновского излучения от плоскости с минимальной поверхностной энергией имеет максимальную высоту, отличается более высокой стойкостью по сравнению с аналогичным режущим инструментом, имеющим. покрытие того же химического состава с меньшей высотой пика деформации от упомянутой плоскости.Технико-экономический эффект предложенного технического решения в сравнении с прототипом выражается в повышении стойкости режущего инструмента примерно в 2,5 раза,г. Ужгород, ул. Проектная, 4