Режущий инструмент и способ его изготовления

 

V. Режущий инструмент,, содержащий инструментальную основу с нанесенным на нее износостойким покрытием , выполненньш из тугоплавких соединений металлов с элементамииз группы С, N, О, В, Si, о т л и ч аю щ и и 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 основы до температуры ниже температуры ее разупрочнения с одновремен-ной очисткой поверхности основы бомбардировкой ионами наносимого материала в вакууме путем приложения ускоряющего напряженияк основе с последующим нанесеиием покрытия на нагретую основу в атмосфере газа-реагента при температуре ниже температуры разупрочнения основы, о т л ич а ющийс я тем, что нагрев поверхности при очистке инструментальной основы осуществляют до температуры ниже температуры ее разупрочнения не более, чем на , а нанесение покрытия проводят при температуре не менее 50 С и давлении газа-реагента 1,3-2,65-10 Па.

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) 01) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3462104/18-21 (22) 18.05. 82 (46) 07.03.87. Бюл. В 9 (71) Всесоюзный научно-исследовательский инструментальный институт (72) А.Г. Гаврилов, Г.К. Галицкая, А.К. Синельщиков, В.П. Жедь, Е.М. Степнов, А.М. Боярунае и А,И. Лейн (53) 621.793.14 (088.8) (56) Патент CHIA )»» 4018631, ; кл. 148-31. 5, 1978.

Патент США )) 4169913, кл. 428-217, 1979.

Андреев А,А. Исследование свойств конденсатов Ti-.N, Er-№ » полученных осаждением плазменнйх потоков в вакууме (способ КИБ). - физика н хитрая обработки материалов, )) 3, 1980, с. 64-67.. (54) РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ И СПОСОБ

ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) 3, Режущий инструмент,. содержащий инструментальную основу с нанесенным на нее износостойким покрытием, выполненньш(из тугоплавких соединений металлов с элементами из(ю 4 С 23 С 14/24 В 23 Р 15/28 группы С, И, О, В, Si о т л и ч аю шийся тем, что, с целью увеличения стойкости инструмента, кристаллическая решетка покрытия ориентирована кристаллографической плоскостью с минимальной поверхностной

1 энергией параллельно поверхности инструментальной основы.

2. Способ изготовления режущего инструмента, включаюпщй предварительный нагрев инструментальной осиовы до температуры ниже температуры ее разунрочнения с одновремен-. ной очисткой поверхности основы бомбардировкой ионами наносимого материала в вакууме путем приложения ускоряющего напряжения к основе с последующим нанесением покрытия на нагретую основу в атмосфере газа-реагента при температуре ниже температуры разупрочиения основы, о т л ич а ю шийся тем., что нагрев поверхности при очистке инструментальной.основы осуществляют до температуры ниже температуры ее раэупрочнения 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.

t 111

Изобретение относится к области металлообработки, в частности к режущему инструменту с улучшенными эксплуатационными свойствами за счет использования износостойких покрытий из тугоплавких соединений, и может найти широкое применение в инструментальной промышленности.

Известен режущий инструмент с износостойким покрытием на основе

Ti, Zr, Hf, 7 Nb, Та и элементов из группы С, N, В.

Недостатком известного инструмента является низкая стойкость, связанная с высоким уровнем свободной поверхностной энергии, что приводит к усилению взаимодействия между обрабатываемым и инструментальным материалом в процессе резания, следствием которого является интенсифи. кация явлений, приводящих к износу инструмента. Высокий уровень свободной поверхностной энергии в известном покрытии связан с ориентацией покрытия параллельно поверхности основы кристаллографической плоскостью (220), имеющей высокий уровень свободной энергии.

Известен также способ изготовления режущего инструмента с износо стойким покрытием, включающий нанесение покрытия.в вакууме из ионизованной металлической компоненты в присутствии газа-реагента,на нем нагретую инструментальную основу, к которой приложен потенциал смещения.

Недостатком известного способа является низкая стойкость инструмента, обусловленная низкой миграционной способностью адатомов на ненагретой основе, что приводит к получению шокрытий, состоящих из.мйкрокристаллов, преимущественно ориентированных относительно инструментальной основы плоскостью (200), имею.щей высокий уровень поверхностной энергии.

Наиболее .близким техническим решением к изобретению является режущий инструмент, содержащий инструментальную основу с нанесенным на нее износостойким покрытием, выполненным из тугоплавких соединении металлов с элементами из группы С, N, О, В, Si.

Недостатком известного режущего инструмента является его низкая стойкость, обусловленная ориентаци0212 2 ей микрокристаллов покрытия парал- . лельно инструментальной основе кристаллографической плоскости (200), отличающейся высоким уровнем поверхностной энергии.

Наиболее близким к предлагаемому способу является пособ, вКлючающий предварительный нагрев основы до температуры, ниже температуры ее

10 разупрочнения с одновременной. очисткой поверхности основы бомбардировкой ионами наносимого материала в вакууме путем приложения ускоряющего напряжения к инструменту с последующим нанесением покрытия на нагретую основу в атмосфере газа-реагента при температуре, ниже температуры ее разупрочнения.

Недостатком указанного способа яв20 ляется низкая стойкость инструмента, обусловленная отсутствием преимущественной ориентации микрокристаллов покрытия, обеспечивающей низкий уровень поверхностной энергии.

Целью изобретения является увеличение стойкости инструмента, Цель достигается тем, что в режущем инструменте, содержащем инструментальную основу с нанесенным на нее износостойким покрытием, выполненным из тугоплавких соединений металлов с элементами из группы С, N, О, B Si кристаллическая решетка покрытия ориентирована кристалло35 графической плоскостью с минимальной поверхностной энергией параллельно поверхности инструментальной основы, а также тем, что согласно предложенному способу изготовления

40 режущего инструмента, включающему предварительный нагрев инструментальной основы до температуры ниже температуры ее разупрочнения с одно» временной очисткой поверхности осно"

4> вы ионами наносимого материала в вакууме путем приложения ускоряющего напряжения к основе с последующим нанесением покрытия на нагретую основу в атмосфере газа-реагента

5О при температуре ниже температуры ее разупрочнения, нагрев поверхности при очистке инструментальной основы .осуществляют до температуры ниже температуры ее разупрочнения не бо55 лее, чем на 100 С, а нанесение покрытия проводят при температуре основы не менее 50 С и давлении газа-реагента 1,3-2,65 ° 10 Па.

1110212 4

10

20

55

Сущность предложенного технического решения состоит в том, что при определенных условиях формирования . покрытия, характеризующихся режимными параметрами, покрытие наносится на основу таким образом, что его кристаллическая решетка ориентирована кристаллографической плоскостью, обладающей минимальной поверхностной энергией, параллельно поверхности инструментальной основы, что снижает износ инструмента и, соответственно, увеличивает его стойкость.

На фиг. 1 изображен предлагаемый режущий инструмент; на фиг ° 2 — покрытие, имеющее кристаллическую решет ку типа NaCI ° с преимущественной ориентацией кристаллической решетки покрытия плоскостью (III) параллельно инструментальной основе, вид сверху; на фиг. 3 - положение плоскости (III) в кристаллической решетке покрытия с кристаллической ре- . шеткой типа NaC1.

Предлагаемый режущий инструмент, состоящий из основы 1, выполненный из любого инструментального материала, и нанесенного на нее слоя износостойкого покрытия 2, представляющего собой тугоплавкое соединение металлов c,ýëåèåíòàìè из группы

С, N, О, В, Si работает следующим образом.

В процессе резания. происходит износ режущих.кромок инструмента.

Механизм износа носит комплексный характер и определяется не только механическим воздействием обрабатываемого материала на режущий инструмент, но и такими явлениями, как. адгезионное схватывание инструментального и обрабатываемого материалов, хииическое взаимодействие между ними и диффузионными процессами.

Известно, что внутреннюю энергию систеиы частиц определяют потенциалы их взаимодействия, Уровень поверхностной энергии кристаллогра,фической плоскости теи выше, чем в меньшей степени насыщены валентные связи расположенных в ней атомов.

Следствием этого является .стремление поверхностных атомов инструментального материала к насыщению своих валентных 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 между инструментальным и обрабатываемым материалом сведено до минимума, что приводит к снижению интенсивности процессов адгезионного, хииического и диффузионного характера и тем самым уменьшает износ инструмента.

В процессе резания на контактной площадке выделяется тепло, которое активирует процессы межмолекулярноro взаимодействия веществ, приводящие к износу инструмента. Преимущественная ориентация микрокристаллов покрытия параллельйо инструментальной основе 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 электродуговым источником плазмы. Способ включает очистку и нагрев. в вакууме поверхности инструментальной осноны бомбардировкой ионами наносимого материала посредством приложения ускоряющего напряжения к основе

35 и нанесение покрытия при напуске в камеру газа-реагента с одновременным снижением ускоряющего напряжения и поддержанием температуры основы ниже температуры ее разупроч4О нения в процессе формирования покрытия регулированием напряжения на инструменте.

Особенностью способа является то, что предварительный нагрев поверхности при очистке инструментальной основы осуществляют до температуры ниже температуры ее разупрочнения не более, чем на 100 C a нанесение покрытия проводят при теипературе основы не 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 инструиентальной основы и нагрев ее в процессе формирования покрытия должен

5 1110212 d быть ниже температуры ее разупроч- и на червячные фрезы ф 24 мм, изнения с целью сохранения стойкост- готовленные из стали 9ХС, наносиных характеристик режущего инстру- лись износостойкие покрытия методом мента, При предварительном разог- конденсации с ионной бомбардировкой реве основы до температуры ниже тем- на установке "Булат-зМ" при раэлич5 пературы 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 маталлургическ алл гических и химических реакций 10 териала инструмента для проведения между материалами покрытия и основы рентгеноструктурных исследований покобеспечивающих адгезию покрытия к . рытий. Вакуумная камера, оснащенная основе, и для взаимоде с ействия компо- электродуговым источником плазмы, ° 0 П нентов покрытия.. ри . П и нагреве инст- откачивалась до давления 6,65 10 Па, рументальной основы в проце е роцессе на- 15 после чего зажигалась электрическая несения покрытия до т

ытия до теищературы дуга, обеспечивающая испарение и иониже 50 С подвижность адатомов осаж- низацию металла катода. На режущий даемого вещества становится недос- инструмент подавалось отрицательное таточнои для формирован ф мир вания конденса- напряжение ускоряющее положительно

Э та поликристаллической структуры, gp заряженные ионы металла для очистки микрокристаллы которого имеют пре- поверхности и разогрева инструмента. имущественную ориентацию. При сни- После разогрева инструментальной женин температуры инструментальной основы в камеру вводился газ-реагент, основы ниже 50 С осаждаются слои, одновременно снижалось напряжение на отличающиеся менее упорядоченной 25 режущем инструменте. структурой, и эффект от нанесения Толщина покрытия измерялась при ориентированного износостойкого пок- увеличении 800 на шпифе в сечений, рытия резко снижается. На рентгено- перпендикулярном поверхности покрыграмме покрытия снижение степени тия. Температура нагрева основы упорядоченности его микрокристаллов щб измерялась инфракрасным пирометром отражается в снижении пика дифрак- через. смотровое окно. Рентгенограмции рентгеновского излучения от плос- мы покрытий были получены íà аппакости их преимущественной ориентации. рате "Дрон-1" при воздействии на

Давление газа-реагента подбира- образцы рентгеновского Fe-К излуется опытным путем по результатам чения. рентгеноструктурного анализа тугоплавкого соединения, образующего ли Р6И5 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.и ции микрокристаллов покрытия крис очищались бомбардировкой ионами малографической плоскостью с мин"маль териала катода, выполненного иэ тиной поверхностной энергией параллель тана, сплава гафния и титана соответно поверхности основы, причем ве» ственно. На сверла подавался ускорячина давления зависит от состава ме- ющий потенциал — 1,0 i<8, 45 таллической компоненты покрытия и По достижении температуры разогсвойств конкретного газа-реагента. рева 500 С в камеру вводился гаэМетод конденсации с ионной бом- peareHT: 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: 40Х азота, 40 . ацетилена и 20Х микрокристаллов параллельно поверх- кислррода; ности н инструментальной основы.

55 для покрытия из боросилицида тиОбразцы и условия изготовления тана — смесь газов: 5 силана и режущего инструмента. 95Х диборана.

На сверла мм, из 5 изготовленные Одновременно ускоряющее напряже"иэ стали P6N5 и твердого сплава ВК8, ние на инструменте снижалось таким

110212 8 основы 650 С и давлении азота 1,33> х10 Па.

Пример 3. На червячные фрезы из стали 9ХС наносилось покрытие нз ннтрида алюминия. Порядок операций тот же, что и в примерах 1 и 2.

Толщина покрытия из нитрида алюминия

l0 мкм. Фреэы испытывались при зубонарезании .колес из латуни ЛС591Т при

10 скорости резания 60 м/мин, подаче

0,39 мм/зуб, направление подачипопутное и СОЖ вЂ” сульфофрезол. Критерий затупления — износ по задней поверхности 0,3 мм. Испытания пока15 зали, что наибольшую стойкость имеют фреэы с покрытиями, полученными при температуре предварительного нагрео ва основы 200 С и давлении азота

1,3 Па.

7 1 образом, что температура сверл в процессе нанесения покрытия поддерщивалась равной 400 С за счет регулирования напряжения в пределах

150-300 В.

Покрытия наносились при 5-6 различных значениях давления газа-реагента в диапазоне 1,3-2,65 10 Па.

Во всех опытах время нанесения покрытия 45 мин, толщина 5 мкм.

Все полученные покрытия были подвергнуты рентгеноструктурному ана лизу в целях определения высоты пика дифракции рентгеновского излучения от плоскости с минимальной поверхностной энергией. Нитрид титана имеет кристаллическую решетку типа ИаС1, у которой минимальной поверхностной энергией обладает плос кость (ТХТ).

Сверла с покрытием из нитрида титана испытывались при сверлении отверстий в стали 45, Режим резания: скорость V - =45 м/мин, подача

S = О, 18 мм/об., глубина отверстия

15 мм. За критерий износа принимался скрип сверла. Коэффициент по вышения стойкости оценивался .как отношение среднего для сверл (50) количества отверстий, просверленных предлагаемым инструментом, к количеству отверстий, просверленных жструментом, выполненным по способупрототипу..

Результаты рентгеноструктурного анализа и стойкостных испытаний показывают, что наибольшую стойкость имеют сверла с покрытиями, отличающимися миксимальной высотой пика дифракции от плоскости (III), полученными при температуре предварительного нагрева основы »500 С и давления азота 1,3. Па.

П р.и м е р 2. На сверла и образцы для рентгеноструктурного анализа из сплава ВК8 наносилось покрытие из нитрида тантала. Порядок операций аналогичен примеру 1. Тол.щина покрытия во всех опытах с покрытием этого состава 4 мкм.

Сверла испытывались при сверлении отверстий в графите при скорости резания 68 м/мин, подаче О, 18 мм/об., глубине отверстий 16 мм. Критерий затупления — износ по ленточке 0,6 мм.

Результаты испытаний показывают, что наибольшую стойкость имеют сверла с покрытием, полученным при температуре предварительного нагрева

Сопоставление данных рентгеноструктурного анализа с результатами стойкостных испытаний во всех приведенных примерах показывает, что стойкость инструмента, изготовленного из различных материалов с покрытиями различных составов при обработке разнообразных материалов, тем выше, чем больше интенсивность дифракции рентгеновского излучения от. плоскости кристаллической решетки микрокристаллов покрытия, имеющей минимальную поверхностную энергию.

Пример 4. Режущие пластины

2008-1109 из твердого сплава ВК6, изготовленные в одной партии, были упрочнены нанесением износостойкого покрытия из нитрида титана тремя различными методами: конденсацией с ионной бомбардировкой по предло- женному способу, реактивным электронно-плазменным и гаэофазным. Предлагаемым способом покрытие из нитрида титана наносилось на установке

4 Булат/ЗИ" при соблюдении последо- вательности операций, описанной в примере 1. При предварительном разогреве на пластины подавалось отрицательное напряжение 1,5 кВ, разог- . рев пластин осуществлялся до темпео ратуры 650 С, после чего в камеру вводился азот при давлении (2,65-4)

-1 х10 .Па. При нанесении покрытия регулированием ускоряющего напряжения

55 поддерживалась температура пластин

300 С. Толщина слоя нитрида титана . составляла 6 мкм, Пластины испытывались при точении стали 45 при режимах резания: скорость 150 м/мнн, ЯРА.2 ю Редактор Т. Загреб льиая Техред М.Ходанич

Корректор М, Шароши

Заказ 633/1 Тираж 937 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

1 .Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

9 11102 подача 0,45 мм/об., глубина резания

1 мм.

Из рентгенограмм было видно, что покрытия, нанесенные предлагаемым методом, состоят из микрокристаллов, преимущественно ориентированных плоскостью (Ш) параллельно поверхности основы; в покрытиях, нанесенных методом реактивного электронноплазменного нанесения, микрокристал- 10 лы преимущественно ориентированы параллельно основе плоскостью (200), а в покрытиях, нанесенных газофаэным методом, — плоскостью (220), 15

Проведенный комплекс стойкостных .испытаний режущего инструмента с различными износостойкими покрытиями показал превышение стойкости режущего инструмента с покрытием, имеющим 20 преимущественную ориентацию микрокристаллов кристаллографической плоскостью с минимальной поверхностной энергией параллельно основе, над стойкостью инструмента, имею- 25 щего преимущественную ориентацию микрокристаллов покрытия параллельно основе как кристаллографической плоскостью (220), так и плоскостью

12 10 (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.