Режущий инструмент и способ его изготовления

,ЯО 134 2 3 С 14/00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ элепле 3 едова- нститу учно-ит альныА. Г Гаврилов, И, Курбатов А. Ординарце(57) 1, Режущийжащий инструментнесенное на нее УМЕН СПОСОБ ЕГО ент, содер основу и н тойкое поьнуюнос рытие, м одслой и у котор угоплав ми расположених углеродсовключающих элеытия, о т л и держащих соединении менты материала пок чающийся те то, с целью овышени г б н струкости ежущ он снабже одным слоем ложенным ме рмос ьн мент пере олщиной 0 у основой рас о из материала ос сло выполненнлементов материала подслоя окрытия с возм остью плавног ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Всесоюзный цательский инструмен(56) Патент Швециикл, С 23 С 5/00, 1Заявка Японии Фкл, 12 А 26, 1973.Заявка фРГкл. С 23 С 1физика и халов, - М.: Н рпстания концентрации указанных ментов от содержания их в матери основы до содержания в цодглое.2, Способ иэготовлецця режущего инструмента, включающий в гебя очистку и разогрев его поверхности бомбпрдировкой в вакууме 5 .О- 5 О мм рт, ст, ионами материала катода посредством приложения к цнструмецту напряжения в последующую конденсацию на очищенную поверхность материала катода при одцовременцом сццжецци приложенного к инструменту напряжения и подаче в камеру газп-реагента, отличающийся тем, что,с целью повышения стоикости режущегоинструмента, очистку ц разогрев поверхности проводят сначала ионамиматериала катода до темперптуры растворения в материале осцовы инструмента основной составляющей газа-реагента, после чего в камеру вводят газреагент, создавая в ней вакуум 5.10 - 6 10мм рт. ст и продолжают очистку и разогрев поверхности основы инструмента до температуры карбидизации материала катода, после чего снижают напряжение на режущем инструменте до значения, обеспечивающего конденсацию материала катода с его карбидиэацией,одновременно прекрашпют подачу газа и повышают впкуум в кпмере до значения 5 10-. -5 Омм ртст., а затем в камеру вновь подают газ-реагент в течение времени Формирования покрытия заданной тоцщицы.1342942 50 напряжения и подаче в камеру гаэареагента 4,Основным недостатком з 1 ого известного способа является низкая стойкость изготовленного им инструмента. Это связано с тем, что процесс очистки осуществляется в вакууме бомбардировкой только ионами материала катода, которая обеспечивает присутОсновными недостатками этого способа являются высокая температура 55 нагрева инструментального материала (материала основы) и значительная длительность технологического цикла, что вызывает разупрочнение основы,Изобретение относится к металлообработке, в частности к режущемуинструменту с иэносостойким покрытием и способу его изготовления.5Известен твердосплавный режущийинструмент с износостойким покрытиемиэ одного или нескольких карбидовтитана, ниобия, тантала, циркония,гафния, ванадия, вольфрама, содержащий расположенный между основой инструмента и износостойким покрытиемзапирающий подслой иэ материала снизкой скоростью диффузии углеродав нем, 15Подслой состоит из одного или нескольких металлов первой группы (медь,серебро, золото), одного или нескольких сульфидов (СаБ, СиЯ) или нитридов (ВИ, АСМ). Толщина запирающегоподслоя составляет 0,05-2 мкм, преимущественно 0,1 - 1 мкм 111,Недостатком известного режущегоинструмента является использованиев качестве материала подслоя металлов, в данном случае первой группы,так как они обладают незначительнойвзаимной растворимостью с материаломпокрытия, а следовательно, обеспечивают в основном механический, молеку- З 0лярный или электрический тип связи спокрытием, что приводит к его отслаиванию, Кроме того, они относятся кдрагоценным металлам и слишком дорогидля промышленного использования, неявляются изнасостойкими и не обеспечивают работоспособность режущегоинструмента после прорыва покрытия,Использование в качестве материала подслоя указанных тугоплавких со 40единений сульфидов (СаБ, СиЯ) и нитридов (ВИ, АСИ) также не эффективно,так как они не содержат в своем составе одинаковых элементов с материалом покрытия, а следовательно, необеспечивают плавного изменения45свойств на границе подслой - покрытие, что снижает стойкость режущего инструмента.Изготовление такого режущего инструмента осуществляется способом осаждения иэ атмосферы пара или газа 2,охрупчивание, обезуглероживание иделает этот способ неприменимым длярежущего инструмента, изготовленногоиз стали,Наиболее близким к предлагаемомуустройству является режущий инструмент, содержащий инструментальную основу и нанесенное на нее износостойкое покрытие, между которыми расположен подслой иэ тугоплавких углеродсодержащих соединений, включающихэлементы материала покрытия,Режущий инструмент имеет покрытиеиэ соединений титана с углеродом иазотом и подслой из карбонитрида титана, Наличие одинаковых элементов вматериалах покрытия и подслоя способствует плавному применению физикомеханических свойств и усилению связи на границе подслой - покрытие 3,Недостатком такого устройства является резкий переход физико-механических свойств на границе основа инструмента - подслой, что снижает егоэксплуатационные характеристики иприводит к охрупчиванию и отслаиванию покрытий вследствие возникновения на укаэанной границе термических,упругих и других видов напряжений.Этому еще более способствует, то,что подслой, полученный газофазнымметодом содержит углерод, диффундирующий из материала основы, что вместо усиления связи между ними ведет кобезуглероживанию поверхностного слояпоследнего, а следовательно, к егоохрупчиванию и снижению режущихсвойств инструмента,Наиболее близким к предлагаемомуспособу является способ изготовления режущего инструмента, включающийв себя очистку и разогрев его поверх 5ности бомбардировкой в вакууме 5 1 О5 1 О мм рт. ст, ионами материалакатода посредством приложения к инструменту напряжения и последующуюконденсацию на очищенную поверхностьматериала катода при одновременномснижении приложенного к инструментуствие в цаверхцостцых глоях материала основы металлических составляющихматериала покрытия и падслая, ца цепозволяет сформировать термостабиль 5ный переходной слой и обеспечить введение в его состав компонентов гязлреагента, Это ослабляет связь на границе основа - подслой и снижаетстойкость инструмента, Кроме того, 1 Ов известном способе в поверхностныхслоях инструментального материала недостигается температура карбидизацииматериала катода, что ведет к отсутствию в составе поверхностного слоя 15и подслоя термостабильных фаз (карбидов, карбонитридов, оксинитридов,оксикарбонитридав и пр.).Известный способ не позволяет получить подслой заданной толщины, 20так как Формирование ега происходитна стадии очистки и контролируетсяконечной температурой разогрева поверхности режущего ицструмента, чтоосложняет запланированное увеличение 25или уменьшение его толщины в пределах этой операции, особеццо в случаепроведеция ее иоццой бомбардировкойв импульсном режиме, который широкоиспользуется в процессе очистки режу- з 0щего инструмента, изготовленного изстали, Полное павтарецце стадииочистки с целью увеличения толщиныподслоя сопровождается частичцым разупрочнением режущей кромки и потерей35инструментом режущих свойств,Цель изобретения - повышение стойкости режущего инструмента.Поставленная цель достигаетсятем, что режущий инструмент садер 40жащий инструмецтальцую основу с нанесенным на нее изцосостойким покрытием, между которыми расположен подслой из тугоплавких углеродсодержащихсоединений, включающих элементы ма 45териала покрытия, снабжен термостабильным переходным слоем толщиной0,1-10 мкм, расположенным между основой и падслоем и выполненным изматериала основы и элементов матери 50ала подслоя и покрытия с возможностью плавного возрастания концентрации указанных элементов от содержания их в материале основы до содержания в подслое.Режущий инструмент изготавливает 55ся согласно способу, включающемуочистку и разогрев его поверхностибомбардировкой в вакууме 5 10-5 1 Омм рт. ст. иацлми млг. рил лкатода посредствам црцла кения кструменту напряжения и пагледуюшуюкацдецгацию на очищенную поверхностьматериала катода прц одцавремеццомснижении приложенного к инструментунапряжения и подаче в камеру гязлреагента при этом очистку и разогрек поверхности проводят гцачаллионами материала катода да тсмперлтуры растворения в материале асцавыинструмента основной саг.тавляюшейгаза-реагента поне чего в камеру вводят глз-реягецт, создавая н ней вакуум 5 10-." -6 10 мм рт. ст и продолжают очистку и разогрев поверхности асцавы ицгтрумецтя до температуры кярбидизлции материллл катода, после чего снижают напряжение цл режущем инструменте да значения обеспечивающего кацдецслпцю мл териала катода ,". его клрбцдцзлццей адцанремеццо прекращают подачулзл и повышают вл:у гм к клмере до зцяче -1ция 5 1. - 5 10 мм рт. ст а зятем в камеру вцакь падают глз-реягент в течение кремецц фармцравяция покрытия заданоц толщины.а Фиг, 1 представя.цл г: ема известного режущего ицструмецтл, поперечный разн.з; цл Фиг, 2 - та же,предлагаемого режушега инструментапоперечный разрез,Режущий ицструмецт состоит цз основы 1 с нанесенным ца ее поверхцогтьизнасостайким покрытием 2, расположенного между ними падслая 3 н сформированного между основой ц падслоемпереходцага слоя 4,Устройство работает следующим образом,В процессе резания в материале покрытия 2 обладающем значительнойтвердостью, возникают высокие термические, упругие и пластические напряжения. С помощью переходного термостабильного слоя 4 ани передаютсяболее пластичному материалу осцовы,в которой происходит их релаксация,Этому способствует конструктивноерасположение переходцага слоя междуосновой и подслаем, чта це приводитк появлению дополнительцай грацицыраздела в конструкции устройства, нарушающей ее монолитность, Кроме того, присутствие в составе переходного слоя элементов наделая и накрывгия ведет к появлению химической связи между материалом основы и подслоя, а выполнение переходного слоя с воэможностью плавного возрастания кон 5центрации элементов мариала подслоя и покрытия от содержания их в материале основы до содержания в подслое позволяет осуществить плавный переход физико-механических свойств1 Омежду материалом Основы и подслоя,что способствует передаче напряжений,возникающих в материале покрытия впроцессе резания, более пластичномуматериалу основы без концентрации ихна границе основа - подслой,Кроме того, описанное выполнениепереходного слоя обеспечивает еготермостабильность в процессе резанияэа счет Ослабления диффузионных про 1 Оцессов на его граниггах из-за отсутствия на них градиента концентрацииэлементов подслоя и покрытия, а также наличия в его составе термодинамически стабильных фаз, например 5ТгС, ТгМ Рет и других, полученныхпри взаимодействии материала катодас углеродом и легирующими элементамиматериала основы, а также с составляющими газа-реагента и различными приисвми н камере, и расположенных послойно и хаотично по толщине переходно О слоя. Все то позволяет последнему сохранить его заданную толщину на протяжении всего процесса работы:35 покрытия и Обе спечить высокую стойкосгь режущего инструмента.Присутствие в переходном слое тугоплавких карбидообразующих металлов входящих в состав подслоя и по крытия (например, титана, молибдена и пр.), увеличивает в его составе концентрацию углерода что предотвращает обезуглероживание поверхностных слоев материала основы при достижении температуры их карбидизации и инициирования диффузионного потока углерода из основы в подслой, а также основных легирующих элементов материала основы (Ч М Мо, С ),50 которые могут частично переходить в подслой, что еще более усиливает связь на границе основа - подслой и повышает стойкостные характеристикиинструмента,55Максимальный эффект использования предлагаемого устройства достигается при определенной толщине переходного слоя, равной 0,1-10 мкм,уменьшение или увеличение которой приводит к снижению стойкости инструмента, Это объясняется тем, что при значении толщины переходного слоя ниже О,1 мкм осуществляется не плавный, а скачкообразный переход физико-механических свойств между 1материалом основы и подслоя. При значении толщины более 10 мкм нарушается монолитность конструкции,Сущность способа изготовления предложенного режущего инструмента заключается в следующем,Режущий инструмент (например,сверла, твердосплавные и керамические режущие пластины и др,) располагают в камере, эвакуированной дозначения э 10-5 .1 О мм рт. стпроводят очистку его поверхности сразогревом бомбардировкой ионамиматериала катода до температурырастворения и инструментальном материале основы основной составляющейгаза-реагента.В этот период начинают формироватьпереходной слой и подслой, Высокаяскорость ионизированных частиц материала катода, обусловленная вакуумной средой, способствует образованию на поверхности инструмента локальных участков подслоя различнойтолщины от ангстремных одноатомныхслоев до нескольких микрон, В то жевремя непрерывный разогрев поверхности до температуры растворения основной составляющей гаэа-реагентаспособствует зарождению в поверхностных слоях переходного слоя как засчет внедрения в них ионов материалакатода, так и за счет активации егодиффузии вглубь инструментальногоматериапа, В то же время в подслоеуказанное повышение температуры интенсифицирует процесс коалесценции(срастания конденсированных областей), что способствует выравниваниюего толщины на поверхности инструмента,При достижении температуры растворения газа-реагента в инструментальных материалах основы в камерунаправленно вводят газ-реагент до-2 -5создания в ней вакуума 5 10 -6 1 О ммрт, ст после чего продолжают процесс очистки поверхности режущегоинструмента с ее дальнейшим разогревом ионами материала катода и газареагента. Введение газа-реагента1342942снижает скорость конденсации материа- ности и снижения ее по глубине чтола катода, что позволяет контролиро- способствует выравниванию градиентоввать толщину его слоя на инструменте концентрации элементов подслоя и по-,за счет различной степени вакуума, крытия на границах переходного слояа также создавать в его составе фазы и образованию в его составе терморазличного состава в зависимости от стабильных фаз,используемого газа-реагента матери- После этого в камеру опять подаала катода и всевозможных примесей в ют газ-реагент и выдерживают инструкамере. Причем направленная подача 10 мент в указанных условиях в течениегаза-реагента относительно потока времени, необходимого для конденсаматериала катода позволяет регулиро- ции покрытия заданной толщинывать расположение указанных фаз как В процессе очистки и разогревав подслое, так и в переходном слое поверхности инструмента ионной бомпослоино, хаотично и т,д, бардировкой в присутствии газа-реаДальнейший постепенный разогрев гента при значении вакуума в камереповерхности до температуры карбиди- менее 5 1 Омм рт, ст. свойства резации способствует усилению равно- жущего инструмента значительно снимерного диффузионного потока и сос- жаются, Это объясняется тем, чтотавляющих газовой смеси в глубь ре- при этих значениях вакуума электрожущего инструмента, что ведет к уве- дуговой разряд, используемый в те -личению толщины переходного слоя и нологическсм процессе, переходит вплавному распределению в нем элемен- тлеющий, при этом степень ианизациитов подслоя и покрытия, плазмы уменьшается, что снижает проПри достижении в поверхностных 25 никающую способность ионов и их кослоях инструмента температуры кар- личество оптимальная толщина перебидизации материала катода формирова- ходного слоя не достигается и стойние переходного слоя и подслоя про- кость режущего инструмента снижаводится с использованием диффузион- ется.ного влияния материала основы при При значении вакуума и камере бо постоянной температуре. В этот мо- лее 6 1 О мм рт. ст, стойкость инмент подача газа-реагента прекращает- струмента также снижается, так какся, снижается величина напряжения, при таком вакууме присутствие газаприложенного к инструменту, и проно- реагента в камера практически исклюдится откачка газа-реагента из ка- чается и таким образом не обеспечимеры до достижения в ней вакуума35вается содержание его элементов в-55 1 О -5 10 мм рт, ст, На данном составе переходного слоя, что ведетэтапе процесса рост подслоя контро- к снижению связи на границе переходлируется скоростью откачки остаточных ной слой - подслой,газов из камеры, что непосредственно П р и м е рПредлагаемым спосо 40связано со скоростью осаждения мате- бом изготавливают спиральные сверлариала катода и его соединений, При И 5 мм из быстрорежущей стали, соэтом осаждение их происходит при держащей, мас,ь; С 0,80-0,88; Сг 3,8 температуре карбидизации, что иници,4; 1 5,5-6,5; Мо 5,0-5,5; Ч 1,7 ирует поток углерода иэ инструмен; остальное железотального материала в подслой и поз 45В качестве катода используют тиволяет получать в его составе преобладание карбидных фаз (например, танф После УстРанения с поверхностикарбида титана), которые в сочетаниисверл загрязнений их размещают вспециальных кассетах и загс матеРиалом покРытиЯ оДновременно ка е становк т паснижают износ инструмента по задне 50 Ру Установки типа "В ччт" Придостижении вакуума 5 10 мм тст,поверхности и процесс лункообразовауум р . ст,к сверлам прикладывают напряжениения в пределах однослойного покрытия. 15 0 В и в пространство между нимиВ этот период времени в переход- и катодом зажигают электродуговойном слое также осуществляется карби Разряд, Проводят очистку поверхностидиэация материала катода, скорость сверл бомбардировкой ионами титана спотока которого в глубь инструмента разогревом до 200 С, При этой темпепостепенно снижается, вследствие по- ратуре начинается процесс растворениястоянной температуры нагрева поверх- в стали основой составляющей газа1342942 10 иа 2 ь И. Николаеваидык Корректор М. Демч Состави Техред М Гун Редакто с Тираж 936арственного комитета СССизобретений и открытийЖ, Раушская наб д 606/26НИИПИ Гос Подписно аказ по дела113035, Моск род, ул, Проектная,зводственно-пол ческое предприятие реагента, в качестве которого используют технический азотПо достижении указанной температуры, величину которой контролируют инфракрасным пирометром с точностью +1 ОС, в камеру вводят азот до достижения величины вакуума 3 О мм рт, ст, и проводят ионную бомбардировку титаном и азотом до 520 С, при которой в ста ли происходит карбидизация внедренного материала катода (титана).В процессе проведения указанных операций формируется переходной слой и частично подслой, 15После этого напряжение, приложенное к сверлам, снижается до 250 В и подачу азота прекращают,Осуществляют конденсацию титана сопровоЖдающуюся его карбидизацией эб за счет углерода инструментального материала и газов в камере в течение процесса откачки камеры до первоначального значения вакуума 5 10 ммрт, ст. После чего в камеру опятьподают азот, причем значение вакуумадостигает 3-1 10 мм рт, ст и проводят осаждение покрытия из нитридатитана в течение 1 ч, что обеспечивает толщину покрытия 5-6 мкм,После этого напряжение со сверлснимают и дуговой разряд выключается.Сверла охлаждают в камере до комнатной температуры, после чего их вынимают из камеры и подвергают стойкостным испытаниям,Технико-экономическая эффективность предлагаемого режущего инструмента и способа его изготовлениязаключается в повышении стойкости режущего инструмента по сравнению сизвестным не менее, чем в 2-5,4 раза,