Режущий инструмент и способ его изготовления

ZIP архив

Текст

( ТЕ К ун Карт а мо аждеалов несенным на нее изно нов аю аз в подрешетке нение от стехиомет исл да Способ изготомента, включаюев поверхност ния режущег й очистку и нструментал инс процессе очист азо ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Патент СИА У 3967035,кл, С 23 С 11/08, 1975.Патент Франции Р 2357321,кл. В 23 В 27/14, 1977,Андреев А,А., Булатова Л,В.,мазов Г.Н. и др. Покрытия карбидлибдена, полученные методом осния плазменных потоков в вакуумФизика и химия обработки матери1979, Р 2, с. 169,(54) РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ И СПОСОБ ЕГИЗ ГОТОВЛЕ НИЯ .(57) 1, Режущий инструмент, содержа состоиким многослоиным покрытием, вкотором слой, прилегающий к основе,выполнен из углеродсодержащих соединений и снабжен кислородсодержащейзащитной пленкой, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью повыше ния стойкости инструмента, в последнем слое износостойкого покрытиясформирована дисперсионно-прочненнаяпереходная зона, причем состав защитной пленки имеет вакансионное отклоной основы в вакууме ускоренными ионами материала катода и газа-реагента, вводимого в объем в процессе очистки при парциальном давлении реакционного газа 6,67-6,67 1 О Па, до-5 температуры карбидиэации посредством приложения к инструменту напряжения смещения 800-10000 В с последующим снижением напряжения смещения до 25-750 В и последовательным формированием многослойного покрытия и кислородсодержащей защитной пленки путем поочередного ввода в объем газов- реагентов и поочередного подключения катодов, выполненных из металлов 17-Ч 1 группы Периодической системы ф элементов, с последующим охлаждением инструмента до комнатной, температуры, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения стойкости инструмента, после формирования последнего слоя многослойного износостойкого покрытия вновь повьпдают напряжение смещения на инструменте до 800-10000 В и одновременно с газом-реагентом вводят в объем окислительно-восстановительную газовую смесь с сохранением указанного давления и производят очистку и разогрев поверхности последнего слоя покрытия до температуры карбидизации первого слоя, после че ф го напряжение смещения вновь уменьш т до 25-750 В, прекращают подачу г а-реагента и выдерживают инструмент в камере до восстановления давления, соответствующего его значению на стадии конденсации покрытия, затем перед охлаждением инструмента его выдерживают в течение 5-45 мин в окислительно-восстановительной смеси1454634 3. Способ по п.2, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что в качестве окисИзобретение относится к металлообаботке, в частности к инструменту с зносостойким покрытием, и может быть использовано в станкоинструмен 5 тальной промышленности.Известен твердосплавный режущийнструмент, состоящий из основы из спеченного карбида и нанесенного на ее защитного покрйтия иэ окиси алю ния толщиной 1-20 мкм.Недостатком указанного инструмента является его низкая термостой кость, обусловленная разницей значений коэффициентов термического расрения материалов основы и покрытия ,в процессе эксплуатации, так как про,исходит растрескивание, отслаивание покрытия и, соответственно, снижение стойкости режущего инструмента. 20Наиболее близким техническим решением к изобретению является режущий ,инструмент, состоящий из основы, нанесенного на нее износостойкого многослойного покрытия и кислородсодер ,жащей защитной пленки, причем слой покрытия, прилегающий к основе, выполнен из соединений, содержащих углерод,Многослойное покрытие известного 30 режущего инструмента состоит из карбидов, нитридов, карбонитридов, оксикарбонитридов металлов 1 Ч-Ч 1 групп Периодической системы элементов, а кислородсодержащая защитная пленка, нанесенная на многослойное покрытие, ,выполнена из окислов следующих металлов: гафний, цирконий, алюминий, хром, бериллий, 1Недостатком известного режущего 40 инструмента является его низкая стойкость, обусловленная разными коэффициентами термического расширения защитной пленки и многослойного покрытия, что ведет к нарушению адгезион ного контакта в зоне их соприкосновения и, как следствие, к отслаиванию и растрескиванию пленки. лительню-восстановитсльной газовойсмеси используют воздух. Кроме того, пленка не обеспечивает защиту покрытия от разрушения кислородом воздуха после ее прорыва изза отсутствия между пленкой и покрытием переходного слоя,Наиболее близким техническим решением к изобретению является способизготовления режущего инструмента,при котором производят очистку и разогрев поверхности инструментальнойосновы в вакууме ускоренными ионамиматериала катода и газа-реагента,вводимого в камеру в процессе очистки до создания в ней давления 6,67 -6,67 10 Па, до температуры карбидиэации материала катода посредствомприложения к режущему инструментунапряжения 800 - 10000 В, после чегонапряжение на режущем инструментеуменьшают до 25-750 В и формируютмногослойное покрытие, а затем кисло"родсодержащую пленку путем поочередного ввода в камеру газов-реагентовпри давлении в камере 6,67 - 6,67 ф10 Па и одновременного подключениясоответствующего катода и выдержкиинструмента в камере в указанных условиях в течение времени, определяе"мого заданной толщиной наносимогослоя или пленки, после чего инструмент охлаждают до комнатной температуры.Недостатком известного способа является низкая стойкость режущего инструмента с покрытием, обусловленнаяповышенной хрупкостью защитной кислородсодержащей пленки, образованнойокислами, и низкой адгезией защитнойпленки с покрытием, так как последние обладают различными коэффициентами термического расширения.Целью изобретения является повышение стойкости режущего инструмента.Поставленная цель достигается тем,что в режущем инструменте, содержащем основу с нанесенным на нее износостойким многослойным покрытием, вкотором слой, прилегающий к основе, выполнен иэ углеродсодержащих соединений и кислородсодержащей защитной пленки, в последнем слое износостойкого покрытия сформирована дисперсионно-упрочненная переходная зона, причем состав защитной пленки имеет вакансионное отклонение от стехиометрии в подрешетке кислорода. 10В способе, реализующем изготовление указанного инструмента, включающем очистку и разогрев поверхности инструментальной основы в вакууме ускоренными ионами материала катода и 15 газа-реагента, вводимого в объем в процессе очистки при парциальном давлении реакционного газа 6,67 - 6,67 10 Па, до температуры карбидиэациипосредством приложения к режущему ин-.2 О струменту напряжения смещения 800- 10000 В с последующим уменьшением напряжения смещения до 25-750 В и последовательным формированием многослойного покрытия и кислородсодержа щей защитной пленки путем поочередного ввода в объем газов-реагентов и поочередного подключения катодов, выполненных из металлов 17-71 группы Периодической системы элементов, с ЗО охлаждением инструмента до комнатной температуры, после формирования последнего слоя многослойного износостойкого покрытия вновь повьнпают напряжение смещения на инструменте до 800-10000 В и одновременно с газомреагентом вводят в объем окислитель- но-восстановительную газовую смесь с сохранением укаэанного давления и производят очистку и разогрев поверх ности последнего слоя покрытия до температуры карбидизации первого слоя, после чего напряжение смещения вновь уменьшают до 25-750 В, прекращают подачу газа-реагента и выдержи вают инструмент в камере до восстановления давления, соответствующего его значению на стадии конденсации покрытия, затем перед охлаждением инструмента его выдерживают в течение 5-45 мин в окислительно-восстановительной смеси в процессе очистки, причем в качестве окислительно-восстановительной смеси используют воз" дух55На чертеже изображен предлагаемый режущий инструмент, разрез.Режущий инструмент состоит из инструментальной основы 1, нанесенного на нее многослойного покрытия 2, защитной кислородсодержащей пленки 3 и прилегающей к ней со стороны многослойного покрытиядисперсионно-упрочненной переходной зоны 4.Инструмент работает следующим образом.В процессе резания в зоне контакта защитной пленки 3 с обрабатываемой деталью возникают высокие температуры, приводящие к появлению в пленке эначительчых термических напряжений. Преждевременное разрушение защитной пленки 3 под действием укаэанных напряжений исключается за счет увеличения ее пластичности и теплопроводности вследствие наличия .вакансионного отклонения от стехиометрии в подрешетке кислорода в составе защитной пленки, Вакансии заполняются мигрирующими примесными металлическими атомами, присутствие которых в пленке увеличивает ее пластичность и теплопроводность.указанное отклонение состава защитной пленки от стехиометрического способствует также стабилизации образующихся кислородсодержащих фаз и ускоряет процесс окисления, Кроме того, наличие в составе пленки собственных мелкодисперсных вьщелений или только их зародышей, а также продуктов их реакции с мигрирующими примесными атомами с образованием структур типа шпинели, гематита, ильменита, перовскита, рутилов, колумбитов и пр., также увеличивает пластичность защитной пленки и ее тугоплавкость эа счет блокирования в ней дислокаций мелкодисперсными вьщелениями.Разница в коэффициентах термического расширения материалов защитной пленки 3 и иэносостойкого покрытия 2 выравнивается в переходной дисперсионно-упрочненной зоне 4. Этому способствует присутствие в составе переходной зоны одновременно элементов покрытия и защитной пленки в виде субоксидных и оксидных фаз. Это придает всему устройству повьппенную термостойкость за счет замедления процессов рекристаллизации и разрушения покрытий. Кроме того переходная зона 4 обеспечивает защиту покрытия от окисления в случае прорыва защитной пленки.34 6 5 14546Сущность способа, позволяющего получить предложенный режущий инструмент, заключается в следующем.Предварительно очищенный режущийинструмент загружают в вакуумную камеру установки типа "Булат", откачивают ее и проводят очистку с разогревом поверхности инструментальной основы (бомбардировкой ионами матернала катода и ионами предварительновведенного в камеру газа-реагента ссозданием в ней давления 5 " 5 10 Па)до температуры карбидизации материала катода на инструментальной основе. 15Процесс бомбардировки осуществляетсяпутем приложения к инструменту напряжения смещения, величина которогоопределяется материалами основы и покрытия и находится в пределах 800 - 2010000 В, при этом часть ионов внедряется и диффундирует в поверхностныеслои инструментальной основы, ачастьконденсируется на поверхности основыи карбидизируется за счет углерода ма бтериала инструментальной основы с образованием первого слоя покрытия изкарбидов переходных металловПринапряжении менее 800 В внедрения ионов в поверхностные слои практически 30не происходит и разогрев их затруднен, при напряжении более 10000 В скорость нагрева поверхности инструмента превьппает 200 град/с, что ведет кразупрочнению режущей кромки и потере режущих свойств,Формирование последующих слоев покрытия осуществляется следующим образом.После достижения температуры карбидиэации материала катода на инструментальной основе приложенное к инструменту напряжение снижают до 25 -750 В (в зависимости от материаловосновы и покрытия), одновременно вво" 4 бдят газ"реагент, сохраняя в камередавление 6,67 - 6,67 10 Па, инструмент выдерживают в этих условиях втечение времени, необходимого для получения заданной толщины слоя покры- б 0тия. Причем при значениях напряженияна режущем инструменте менее 25 Вионы слабо бомбардируют поверхностьинструмента и он быстро остывает,что снижает адгезию покрытия к основе, а при напряжениях более 750 Впроцесс конденсации покрытия сопровождается внедрением ионов в формирующееся покрытие, что нарушает его кристаллическую структуру и снижает механические свойства, что ведет к потере инструментом режущих свойств. Указанный интервал давлений газа-реагента в камере обусловлен тем, что при давлении более 6,67 Па дуговой разряд переходит в тлеющий, что нарушает технологический режим, а при значениях давления менее 6,67 10 Па газ-реагент присутствует в камере как примесь, что приводит к конденсации практически чистого материала катода, обусловливакицего снижение стойкости инструмента. Формирование последующих слоев осуществляется аналогично, при этом используют другой катод и вводимый в камеру газ-реагент в зависимости от состава наносимого, слоя покрытия.После конденсации последнего слоя покрытия к инструменту вновь прикладывается напряжение 800 - 10000 В и одновременно в камеру совместно с последним газом-реагентом вводят окислительно-восстановительную смесь. При этом проводится очистка поверхности покрытия ионами катода, входящего в состав пленки газа-реагента, используемого при нанесении последнего слоя покрытия, и окислительно-восстановительной газовой смеси, с разогревом поверхности покрытия до температуры карбидизации материалапервого слоя покрытия. Разогрев до температуры карбидизации на этой стадии процесса необходим, так как при этом продолжается насьпцение первого слоя покрытия углеродом основы и происходит выравнивание его концентрации по сечению слоя. Одновременно с указанным процессом на этой стадии формируется переходная дисперсионно-прочненная зона в последнем слое покрытия инструментальной основы.При достижении указанной температуры напряжение на инструменте опять снижают до 25-750 В, одновременно прекращают подачу газа-реагента и выдерживают инструмент в камере до вос" становления в ней давления, соответствующего его значению на стадии конденсации покрытия, При этом происхо" дит замена газа-реагента окислитель- но-восстановительной газовой смесью. Указанный газ-реагент не входит в состав защитной пленки в присутствии наиболее реакционноспособного газа окислительно-восстановительной сме 1454634си - кислорода, но используется как остаточная газовая примесь при формировании защитной пленки с целью увеличения вакансионной дефектности ее структуры. При этом в описанных процессах формирования дисперсионно-упрочненной зоны и кислородсодержащей защитной пленки использовали (по причинам, указанным выше) интервалы нап ряжений на режущем инструменте и давлений газа-реагента в камере, описанные в известном способе. После окон" чания формирования защитной пленки дуговой разряд выключают, снимают 15 напряжение с инструмента и прекращают подачу окислительно-восстановительной смеси, Инструмент переносят в печь, заполненную той же окислительно-восстановительной газовой .20 смесью, с температурой, равной начальной температуре нагрева поверхности инструмента в камере установки, и вьдерживают его в печи в указанных условиях в течение 5-45 мин, после чего охлаждают вместе с печью до комнатной температуры.Повышение стойкости инструмента происходит за счет формирования на нем защитнойкислородсодержащей плен ки с вакансионным отклонением от стехиометрии в подрешетке кислорода и образования переходной дисперсионноупрочненной зоны между защитной пленкой и покрытием. Это достигается тем, что после стадии конденсации последнего слоя покрытия перед формированием защитной пленки проводится ионная бомбардировка покрытия в присутствии окислительно-восстановительной газо- а 0 вой смеси, в качестве которой, например, может быть выбран воздух.В процессе ионной бомбардировки происходит растворение кислорода как наиболее реакционноспособного газа в 45 материале покрытия, что способствует зарождению и росту в нем изолированных частиц субоксидных фаз и переход их в различные модификации высших окислов, Упрочнение переходной зоны покрытия, прилегающей к защитной пленке, такими диспергированными мелкодисперсными частицами придает по" крытию указанные вьппе свойства. Ионная бомбардировка покрытия может осу ществляться в конце формирования каж" дого из его слоев, что снижает разницу в значениях их коэффициентов термического расширения и увеличивает растворимость слоев один в другом, повышая качество покрытия. Использование в качестве газа-реагента окислительно-восстановительной смеси, в состав которой входят, например, такие газы-восстановители, как водород, углекислый газ и пр., способствует возникновению наиболее стойких к окислению окислов со структурой гематита Ме О и родственных ему структур (в случае использования металлов, образующих гомологический ряд окислов) и частичному восстановлению образующихся окисных фаэ с образованием вакансий в подрешетке кислорода, а также появлению в их структуре мягких металлических составляющих, которые повышают пластичность и теплопроводность защитной пленки. И, наконец, в защитной пленке при вьдержке в печи в течение 5-45 мин происходит образование зародьппей собственных выделений, соединение их с примесными мигрирующими атомами, выравнивание состава, устанавливается устойчивое равновесие между кислородом защитной пленки и кислородом окислительно-восстановительной смеси (воздуха), что повышает стойкость режущего инструмента.При выдержке инструмента в печи менее 5 мин описанные процессы протекают не полностью, что снижает термостойкость режущего инструмента, а при вьдержке более 45 мин поверхностный слой защитной пленки разрыхляется вследствие пресьпцения кислородом, что также снижает стойкость инстру-мента (см. таблицу). При этом температура нагрева окислительно-восстановительной смеси в печи соответствует первоначальной температуре разогрева поверхности инструмента (500 - 520 С), что необходимо для завершения формирования покрытия и защитной пленки в процессе вьдержки.Использование воздуха вместо кис" лорода ликвидирует взрывоопасную си" туацию в технологическом процессе нанесения защитной пленки.П р и м е р. Очищенный режущий инструмент (сверла из быстрорежущей стали Р 6 М 5) загружают в кайеру установки типа "Булат" и откачивают до давления 6,67 10 Па. К инструменту прикладывают напряжение 1500 В и зажигают дуговой разряд для испарения материала катода, выполненного из ти14546 Материал Состав основы покры- ия гСостав Режущийинструмент ТолщинапокВремя выдержки впечи притемпер атуре 500 Состав Стойкостьсверл (среднее количество обр аб от анныхотверстий,шт),и толдисперсионно рытия щина защитной. упроч- ненной 520 С. минзоны пленки Т 10 Быстроре- Тсжущ аясталь ТЮ 5Р 6 М 5 Известный(прототип) 500 Т О)Тз.О Тхп ТхО 899 ТЮ 1050 То же 1210 10 13 бО 40 9тана. Ускоренный поток ионов титана очищает и разогревает поверхностьо сверл до температуры 500-520 С (тем, пературы карбидизации титана), при которой образуется слой иэ карбида британа. Температура разогрева контролируется инфракрасным пирометром. При достижении указанной температурыв камеру вводят азот до давления 10 310 Па и одновременно снижают напряжение до 250 В. В этом режиме инструмент вьдерживают в течение часа. Получают слой покрытия из нитрида титана толщиной 5 мкм. Затем к инстру менту вновь прикладывают напряжение 1500 В и одновременно вводят воздух, поддерживая первоначальное давление Зф 10Па. В этом режиме сверла выдерживают в течение времени, пока по верхность покрытияиз нитрида титана не разогреется до температуры 500 -о520 С. При достижении указанной температуры напряжение на режущем инструменте снижают до 25 В и одновременно прекращают подачу азота. Инструмент вьдерживают в камере до восстановления в ней вакуума Э:10 Па, после чего дуговой разряд выключают, прекращают подачу воздуха, снимают ЗО напряжение с инструмента, переносят ,последний в печь с воздухом, подогре тым до температуры 500 - 520 С, и выПредла- Т 1 с 1 гаемый То же Т 1.Н 5 3410держивают в печи в течение 20 мин. после чего его охлаждают вместе с печью до комнатной температуры.Итак, поставленная цель, заключающаяся в повышении стойкости инструмента, достигается тем, что защитнаа пленка соединена с износостойким пок рытием через дисперсионно-упрочненную зону, которая расположена в последнем его слое, а состав пленки име ет вакансионное отклонение от стехчометрии. Покрытие режущего инструмента,(сверл) получено путем введения в известный способ нанесения покрытий методом КИБ дополнительной операции ионной бомбардировки последнего слоя покрытия, а также замены при формировании защитной пленки взрывоопасного кислорода окислительно-восстановительной газовой смесью.В процессе испытаний исследовано влияние временна вьдержки сверл предложенной конструкции в печи при температуре 500-520 С на их стойкостные характеристики.Стойкостные испытания проводились на операции сверления на станке Вессельмана при обработке стали 45 при следующих режимах резания: скорость резания 45 м/мин; подача 0,12 мм/об; глубина 0,15 мм. Результаты стойкостных испытаний представлены в таблице( Состав Толщина покпокрытия ня пле 137 5 Составитель С,МировТехред М,Дидык орректор С.Некмар ктор А.Маковская Тираз 892 9 Заказ 13ВНИИПИ Го сн открытиям при ГКНТ ССС д. 4/5 етениямушская н Производственно-полиграфическов предприятие, г од, ул. Проектна Составдисперснонноупрочманнойзоны дарственного комитета по изо 113035; Москва, Ж, Р Составн толщинаэащитВремя выдерзки в печи при темпера туре 500-520 С.мин Стойкость сверл (среднее количество обаботанных отверстий,шт)

Смотреть

Заявка

3602846, 03.06.1983

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

ЖЕДЬ ВИКТОР ПЕТРОВИЧ, ГАВРИЛОВ АЛЕКСЕЙ ГЕОРГИЕВИЧ, КУРБАТОВА ЕЛЕНА ИВАНОВНА, СИНЕЛЬЩИКОВ АНДРЕЙ КАРЛОВИЧ, БОЯРУНАС АЛЬБЕРТ МИХАЙЛОВИЧ, СМИРНОВ ВИТАЛИЙ МИХАЙЛОВИЧ

МПК / Метки

МПК: B23P 15/28

Метки: инструмент, режущий

Опубликовано: 30.01.1989

Код ссылки

<a href="https://patents.su/7-1454634-rezhushhijj-instrument-i-sposob-ego-izgotovleniya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Режущий инструмент и способ его изготовления</a>

Похожие патенты