Способ изготовления режущего инструмента из быстрорежущей стали и твердого сплава с износостойким покрытием

(191 (11 3 С 14 ТЕНИ я 25 В с посумента до лича ю ью повы(21 22 напряжении смещеледующим охпаждкомнатной темперщ и й с я тем,шения износостои нием инс атуры, что, с ости инструмент Си В. Картз карбитодом Целью изобретения ение износ ост ойкостявляется поныинструмента,мого способа Иэобребработке нстр умен ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(53) 621.793.14 (088,8) (56) Патент ФРГ У 1221166, кл. С 23 С 13/00, 1966.Андреев А.А, Булатова Л. мазов,Г,Н. и др. Покрытия и да молибдена, полученные ме осаждения плазменных потоков в вак уме (КИБ) - "физика и химия обрабо ки материалов. М,: Наука, 979, Р с169.(54) (57) 1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕИЩЕЙСТАЛИ И ТВЕРДОГО СПЛАВА С ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ, включающий очистку поверхности инструмента с разогревомее ионной бомбардиронкой в дуговомразряде в вакууме путем приложенияк инструменту отрицательного напряжения смещения 800-10000 В, формирование на очищенной поверхности иэносостойкого покрытия путем введенияв объем газа-реагента при парциальном давлении 6,67-6,6710Па и е относится к металло- частности к способу из готовления металпорежущего инструмента с покрытием. перед очисткои и разогревом поверхности инструмента его помещают,в насыщенный солевой раствор и выдерживают при температуре растворения соли в течение 5-10 мин, а эатем - при температуре кристаллизации соли ,из раствора н течение времени испарения растворителя, причем разогрев поверхности инструмента при очистке ее ионной бомбардировкой осуществляют до температуры разложения соли, после чего снимают напряжение смещения с инструмента и выдерживают его при температуре разложения соли в течение 15-30 с, а затем вновь прикладывают напряжение смещения 800 10000 В и продолжают разогрев инстру мента ионной бомбардировкой ионами материала катода и токами неметаллических составляющих солей до температуры карбидизации наносимого материала.2. Способ по п.1, а т л и ч а ющ и й с я тем, что, н качестве насыщенного соленого раствора используют раствор простых, комплексных или металлоорганических солей. Сущность предлагизготовления режущеизносостойким покрытием состоит вформировании на его поверхности подслоя из смешанных кристаллов, частькоторых диффундирует в покрытие впроцессе его нанесения, легирует иупрочняет его, а другая часть расплавляется, заполняя шероховатостиповерхности режущего инструмента.Впроцессе резания стойкость инструмента увеличивается как за счет повышенных Физико-механических свойствлегированного покрытия, так и засчет свойств подслоя, который является высокопрочным каркасом для по 1крытия и одновременно барьером,предохраняющим поверхность режущего инструмента от истирания после прорывапокрытия. Кроме того, в момент начального разрушения покрытия и подслоя в результате высоких удельных ,давлений и температур в зоне контакта происходит вьдавливание легкоплавких составляющих, что обеспечиваетсмазывание жидкими или мягкими металлическими смазками. Это снижаетизнос и повышает стойкость инстру-мента.Подслой из смешанных кристаллов Формируется из предварительно нане- З 0сенных на поверхность инструментасолей, материала покрытия и углерода инструментальной основы в процессе очистки и разогрева инструмента ионной бомбардировкой в дуговом разряде перед нанесением износостойкого покрытия.11Способ осуществляется следующимобразом.Инструмент помещают в емкость,заполненную насыщенным раствором, например раствором буры в воде. Приэтом на инструментальной основе происходит осаждение гидратированныхионов соли. Солевые растворы содержат как ионы металлов, так и неметаллические составляющие. Растворыготовят насыщенными что обеспечивает осаждение на инструментальнойоснове максимально возможного количества ионов. При использовании пересыщенных растворов процесс осаждениязатруднен присутствием в растворевторой Фазы, что снижа.ет количествоионов на поверхности и сплошность ихразмещения.Выдержка инструмента в насыщенномсолевом растворе осуществляется притемпературе растворения каждой конкретной соли чтобы сохранить постоянной концентрацию ионов в растворе и предотвратить выпадание второйфазы. Оптимальное время выдержкиинструмента в насыщенных солевыхрастворах составляет 5-10 мин. Привьдержке менее 5 мин осаждение ионовна поверхности происходит не полностью, что снижает стойкость режущего инструмента, а вьдержка инструмента в растворе более 10 мин невлияет на стойкость инструмента. По истечении 5-10 мнн выдержкиинструмента в солевом растворе инструмент помещают в печь, нагретуюдо температуры кристаллизации используемой соли из того или иногораствора, и вьдерживают при указанной температуре в течение временииспарения растворителя. Указанныеусловия обеспечивают кристаллизациюсоли на поверхности инструментальнойосновы. При кристаллизации соли израствора при температуре ниже кристаллизационной кристаллы содержатбольшое количество кристаллизационной воды, водород которой в процессе1конденсации покрытий увеличиваетхрупкость последних, что снижаетстойкость режущего инструмента, апри кристаллизации соли из растворанри температурах выше кристаллизационной происходит их частичное разложение, что также снижает стойкостьинструмента.1Подготовленный таким Образом инструмент помещают в технологическийобъем вакуумной установки для нанесения покрытий, откачивают ее, послечего проводят очистку поверхностирежущего инструмента бомбардировкойионами материала катода, расходуемого в дуговом разряда с разогревомдо температуры разложения соли, послечего снимают напряжение смещения срежущего инструмента, вьдерживаютего в камере при указанной темпера, - ,туре в течение 15-30 с, затем сноваприкладывают напряжение 800-10000 Ви продолжают разогрев поверхностиинструмента ионами материала катодаи ионами неметаллических составляющих соли при нагреве поверхностиинструмента до температуры разложе-.ния соли, до температуры карбидизации материала катода на инструментальной основе,1465463 5 10 15 20 ЭО 35 40 45 50 Для осуществления разогрева поверхности ионной бомбардировкой к инструменту прикладывают напряжение 800-10000 В. При напряжении менее 800 В разогревповерхности происходит очень медленно и температура карбидиэации не достигается, что снижает стойкость инструмента. При напряжении более 10000 В скорость нагрева превышает 200 град/с, что ведет к перегреву режущей кромки инструмента и потере им режущих свойств.При достижении температуры разложения нанесенной на поверхности инструмента соли с инструмента снимают напряжение смещения, прекращают его разогрев и вьдерживают в камере при температуре разложения соли в течение 15-30 с. При вьдержке инстру. мента в камере менее 15 с разложение соли происходит не полностью и дальнейший разогоев поверхности способствует ее расплавлению, что уменьшает количество неметаллических составляющих в камере и, соответственно, снижает стойкость инструмента. При вьдержке инструмента в камере более ,30 с инструмент остывает и процесс разложения соли прекращается, что также снижает количество ее неметаллических составляющих в камере. Аналогичные процессы происходят в том случае, если выдержку инструмента в камере осуществлять при температуре выше или ниже температуры разложения соли,. так как соль не успевает разложиться и расплавиться,При достижении на поверхности инструментальной основы температуры карбидизации материала катода в камеру подают газ-реагент, создавая в ней давление 6,67-6,67 10 з Па и одновременно снижают напряжение смещения на режущем инструменте до 25-750 В и вьдерживают его в камере до получения иэносостойкого покрытия заданной толщины. При конденсации многослойных покрытий используют попеременное подключение нескольких катодов, выполненных из различных металлов кли из сплавов, и введение соответствующих газов-реагентов, входяших в состав чередующихся слоев.При использовании при конденсации покрытий напряжения смещейия на режущем инструменте менее 25 В повевхность его быстро остывает,что пркводкт к снижению скл адгеэки между чкструментом н покрытием, последнее прк этом быстро отслаивается. Прк напряжении более 750 В ухудшают"я физико-механические свойства покрытия, что снижает стойкость кнструмекта. Прк значении парциального давления газа-реагента менее 6,67 Па дуговой разряд переходит в тлеющий, что нарушает технологический процесс, а прк значении давления более 6,67 х 10 - Па газ-реагент присутствует в камере в качестве примеси, что изменяет заданный состав покрытия и также снижает стойкость инструмента.После окончания процесса конденсации покрытия инструмент охлаждают в ка- мере до комнатной температуры.Формирование подслоя осуществляется в несколько этапов.В начальный момент очистки поверхностк режущего инструмента сосажденными на ней кристаллами солиионной бомбардировкой происходиттолько локальная конденсация на нейматериала катода. При.достижениитемпературы разложения осей происходит кх распад на более простые соедкнения, непосредственно металлы и газовые составляющие. При дальнейшем нагреве легкоплавкие металлы(напркмер, щелочные илк щелочно-земельные металлы) размягчаются или частично расплавляются и заполняют шероховатости поверхности инструмента. Более тугоплавкие металлы (например, переходные металлы) в элементарном виде или в виде соединенийостаются на повер хиос тк к ча стич новзаимодействуют с конденскрующимисяматериалами катода. При этом вьделяющкеся при разложении солей газыионкзкруются, образуя раэнозаряженные комплексы. Положительно заряженные частицы направляются вместе спотоком материала катода к поверхности режущего инструмента, конденскруются ка нек и вступают в химическую реакцию с находящимися тамэлементами и соединениями. При достижении на поверхности инструмента температуры карбкдкэацки на ней происходит образование соот - ветствующкх карбидов на основе конденсированного материала катода к ,цкфФундкрующего углерода, входящего в состав инструментальной основы.При этом происходит легирование образующихся карбидов элементами и соединениями, находящимися на поверхности инструмента и обладающими с ними взаимной растворимостью. Помимо этого протекают процессы вс 1 сстановления и возникновения различных самостоятельных соединений, не входящих в состав карбидов. Таким образом, 10 формируется сложнолегированный подслой из смешанных кри таллов. В случае, если температура карбидизации не достигается, в составе подслоя отсутствуют карбидные Фазы, что сни жает стойкость инструмента, при ее превышении происходит разупрочнение инструментального материала., что также снижает стойкость инструмента.П р и м е р. Предварительно очи щенный инструмент, изготовленный из твердого сплава Т 14 К 8 н быстрорежу" щей стали Р 6 М 5 помещали в емкость, заполненную насыщенным раствором натриевой соли тетраборной кислоты (бу ры) в воде, Растворение проводилось при 30 .С, При этой температуре насыщенный раствор получают при раство-. рении 3,75 г буры в 100 г воды. После вьдержки инструмента в растворе в те чение 5 мин он переносился в печьос температурой нагрева 60 С и вьдерживался в ней до полного испарения воды, Затем инструмент размещался в камере вакуумной устансвки для нанес ения покрытий, Камер а отка чивалас ь до давления ниже 6,67 10Па и на инструмент подавалось напряжение 1500 В. Между ним и катодом, изготовленным из сплава титана, зажигался дуговой разряд и проводилась очистка поверхности инструмента ионами титана до температуры разложения буры 400 С. После этого напряжение смещения с режущегс инструмента снималось и он вьдерживался при ,400 С в течение 20 с, Затем на инструмент вновь подавалось напряжение 1500 В и продолжалась ионная бомбардировка титаном совместно с. ионами5 О борокислородных соединений полученных в результате разложения буры,до температуры карбйдизации титана на поверхности инструмента. Температура карбидизации титана на поверхности стали составляла 500-520 С, а на поверхности твердого сплава 650-670 С. Контроль температуры осуществлялся инфракрасным пирометром. После достижения указанной температуры напряжение смещения на режущем инструменте снижалось до 300 В, а камера заполнялась азотом до давле 1ния 4 10 Па - при этом осуществлялось Формирование покрытия толщиной 5 мкм на основе нитрида титана, легированного составляющими соли,Затем подача азота прекращалась, дуговой разряд выключался, с инструмента снималось напряжение смещения и он охлаждался в камере до комнатной температуры.Предложенным способом были изготовлены также сверла и пластины с износостойким покрытиемри использованн различных солевых растворов, режимов вьдержки инструмента и режимов нанесения покрытий. Все параметры и условия конкретных примеров осуществления способа сведены в табл. 1 и 2, В таблицах представлены также результаты стойкости испытаний режущего инструмента, изготовленного без предварительной вьдержки инструмента в солевом растворе перед нанесением покрытия, и режущего инструмента, полученного предложенным способом при различных режимах.Стойкостные испытания сверл из стали Р 6 М 5 и режущих пластин из сплава Т 15 К 6 проводились при обработке стали 45 по режимам, приведенным в табл.3.Оптимальное время вьдержки инструмента в насыщенном солевом растворе составляет 5-10 мин, а время ,вьдержки в. вакуумной камере после достижения температуры разогрева поверхности инструмента, равной температуре разложения солей, составляет 15-30 с.1465463 О Способы изг.инРежущий Соль ТемРастворитель ВремявыПокрытие Среднее пера- тура раст- ворения, С ратуракристал. ратура значениестойстру- мента индержки в струмент . разлож,костикол-вообр.дет. растворителе,мин соли,Ссоли, С СверлаПлас. -ИзТдИ 300 вестный 30 70 400 Пластины. Калий Вода Сверла циановоданат 40 80 300 Плас- тины Пример Напряжениесмещенияна инструм.В Температураразложен.о буры, С Температура карбидизации ВремявыдержСредняястойкостьинструм.,шт э ВремявыРежущий инструки при темпедержкиинст,мент мат, као тода, С рат.разлож.буры, С в раст. соли,мин 10 15 25 30 32 10 15 25 30 32 300 390 515 520 350 25 37 45 48 31 500 1500 650 Пластины тиныПредла- Свер- Бура Вода гаемый ла Сверла 5 400 3 8 10 12 3 8 10 12 3 5 8 10 12 3,5 8 10 12Темпе- ТемпеТа блица 1 28280 320 580 600 60027 39 52 56 56 Тверд рас-р 250 на основе ТдМ 350650 670 66028 40 50 58 58 Таблица 22 Сверла 750 800 1500 10000 10 100 1500 30 3 Сверла 450 500 600 500 650 750 5 400 30 4 Сверла Пластины 150 Твердыйрастворна основе ТЮ 3 Сверла Тетра- Спирт 20карбо- нил хрома Пластины 4 Сверла Бура Вода 30 Твердый растворна основе ТдМ Пластины Твердый растворна основе ТЮ 5 Сверла Бура враз- бавленном раствореБура в Воданасы 550 400 30 5 70 шенном раствореБура впере 300 сьпценном раствореСредняя стойкость инструмента определялась по партии сверл в количестве 15 шт,3 40 5 8 10 12 3 5 8 10 12 5 60 70 80 60 70 80:Показатели твердосплавных пластин сверл Скорость,м/мннПодача,мм/обГлубинарезания,мм 45 160 0,18 0,3 16,5 Составитель С. МирошкинТехред М.Ходанич. Корректор С. Оекмар Редактор Т. Лазоренко Заказ 911/28 Тираж 938 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета но изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР113035, Иосква, Ж Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.уагород, ул. Гагарина,101