Способ комплексного упрочнения инструмента для быстрорежущих сталей, содержащих более 3% ванадия

 

Способ комплексного упрочнения инструмента из быстрорежущих сталей, содержащих более 3% ванадия. Сущность способа состоит в том, что поверхность инструмента подвергают карбонитрации в тлеющем разряде, после чего наносят покрытие из нитрида титана послойно при плавном повышении давления, причем первые три слоя формируют толщиной по 0,5 мкм, а последний рабочий слой толщиной 5 - 6 мкм. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, к способам упрочнения режущего инструмента. Известен способ комбинированного упрочнения режущего инструмента, включающий покрытие из нитридов, карбидов и карбонитридов, нанесенных вакуумно-плазменным методом с последующим азотированием в тлеющем разряде [1]. Недостатком указанного способа является невысокая адгезия покрытия к основе.

Наиболее близким по технической сущности является способ комбинированного упрочнения, включающий азотирование подложки из быстрорежущей стали в тлеющем разряде и нанесение методом конденсации с ионной бомбардировкой покрытия из нитрида титана (прототип).

Недостатком известного технического решения является низкая прочность сцепления между покрытием и азотированной подложкой.

Целью изобретения является повышение адгезии покрытия к основе из упрочненной инструментальной стали.

Указанная цель обеспечивается тем, что выполняют карбонитризацию быстрорежущей стали в тлеющем разряде, а покрытие наносят из нитрида титана послойно при плавном повышении давления, причем первые три слоя формируют толщиной по 0,5 мкм, а последний рабочий слой толщиной 5-6 мкм. Указанные отличительные признаки являются существенными, так как позволяют обеспечить достижение положительного эффекта, выраженного в повышении адгезии покрытия к основе, и ранее никогда не были известны.

Установлено, что на поверхности сталей, содержащих карбиды ванадия, при нанесении покрытий происходит эпитаксиальный рост столбчатых кристаллитов нитрида, преимущественно на карбидах ванадия. Этот эффект усиливается с увеличением количества карбидов ванадия (т.е. в инструментальных сталях, содержащих более 3% ванадия и вызывает увеличение адгезии покрытия к основе. Проведение карбонитризации таких сталей наряду с увеличением их теплостойкости дополнительно увеличивает количество карбидов ванадия и позволяет достигнуть высокой адгезии покрытия к упрочненной основе. Тем же целям служит нанесение многослойного покрытия с адгезионными подслоями.

Предложенный способ комплексного упрочнения инструмента осуществляют следующим образом.

П р и м е р 1 (заявляемый объект). Изготавливают режущий инструмент - сменные многогранные пластины из стали Р12Ф4К5 со стороной 12 мм. Упрочнение проводят в два этапа. После предварительной промывки на первом этапе инструмент устанавливают в приспособление и помещают в установку для ионной химико-термической обработки НШВ-6.10/6-И1.

Карбонитрацию проводят в тлеющем разряде при следующих параметрах: состав газовой смеси: метан - 10 мас.% диссоциированный аммиак остальное; температура карбонитрации 530^оС; температуре нагревателей при косвенном нагреве 490^оС; давление газа 2 мм рт.ст; плотность ионного тока 0,3 мА/см²; время процесса 30-40 мин.

На втором этапе упрочненный инструмент устанавливают в поворотное устройство установки ННВ 6.6И1. Камеру установки откачивают до давления 5˙10^-5 мм рт.ст., включают поворотное устройство, прикладывают к барабану с инструментом отрицательное напряжение величиной 1 кВ, включают испарители и обрабатывают в импульсном режиме в атмосфере аргона. Параметры обработки: общее время до 4 мин; длительность импульса 30 с; длительность паузы 30 с. После этого снижают напряжение до 200 В и производят осаждение первого адгезионного подслоя толщиной 0,5 мкм при токе дуги 60-70 А, при давлении азота в камере 5-9˙10^-5 мм рт.ст. Затем давление азота в камере увеличивают до 5-9˙10-⁴ мм рт.ст. Осаждают второй (промежуточный) подслой толщиной 0,5 мкм. Последний промежуточный подслой выполняют при давлении азота в камере 3-5˙10^-3 мм рт.ст., толщиной подслоя 0,5 мкм. Ток дуги и напряжение подложки в подслоях 1-3 неизменны.

После конденсации третьего подслоя формирование переходных подслоев заканчивается. Рабочий слой осаждают при давлении 2˙10^-2 мм рт.ст., токе фокусирующей магнитной катушки 0,8 А. Толщина слоя 5-6 мкм. Результаты испытаний приведены в таблице. Покрытие осаждают при данных параметрах плазменного разряда во всех приводимых примерах.

Фазовый состав карбонитрированного слоя определялся на дифрактометре ДРОН 3,0. Адгезия покрытия к основе определялась методом склерометрии при нагрузке 5Н. Режущие свойства пластин с комплексным упрочнением изучали при продольном точении стали 45 на станке 1К62 при следующих режимах резания: скорость 50 м/мин; подача 0,25 мм/об.; глубина 1 мм. Определяли относительную стойкость инструмента при величине износа на задней грани 0,5 мм.

П р и м е р 2. Выполняют комплексное упрочнение стали Р6М5 по режиму, аналогичному примеру 1. Упрочнение стали Р6М5 не позволяет добиться оптимальной адгезии и стойкости инструмента.

П р и м е р 3. Выполняют ионное азотирование быстрорежущей стали Р12Ф4К5 в атмосфере диссоциированного аммиака. Затем наносят многослойное покрытие из нитрида титана. Режимы упрочняющей обработки аналогичны примеру 1. Адгезия покрытия к основе хуже, так как количество карбидов МС в упрочненном слое ниже, чем в примере 1.

П р и м е р 4. Аналогичен примеру 3, но упрочняется инструмент из стали Р6М5. Адгезия ниже оптимальной. Различие между инструментом с азотированным и карбонитрированным подслоем минимально.

П р и м е р 5. Аналогичен примеру 1, но толщина подслоя (0,2 мкм) ниже уровня этого параметра в заявляемом объекте. Это вызывает ухудшение адгезии и стойкости инструмента.

П р и м е р 6. Аналогичен примеру 1, но толщина подслоев (1 мкм) выше уровня этого параметра в заявляемом объекте. Это вызывает уменьшение толщины рабочего слоя и снижение стойкости покрытия.

П р и м е р 7. Аналогичен примеру 1, но толщина рабочего слоя выше значения этого параметра в заявляемом объекте.

Это нерационально, так как не позволяет улучшить свойства инструмента по сравнению с заявляемым объектом, а время обработки неопределенно возрастает.

П р и м е р 8. Азотирование быстрорежущей стали Р12Ф4К5 выполняют с образованием избыточных карбидов в поверхностном слое (время азотирования 4 ч). Затем наносится однослойное покрытие той же толщины, что и в примере 1-3. Стойкость такого покрытия невелика из-за неудовлетворительной адгезии к азотированной подложке (прототип).

Оптимальным является комплексное покрытие, содержащее карбонитрированный в тлеющем разряде подслой, так как он обеспечивает высокую адгезию покрытия к упрочненной основе. С другой стороны совместное насыщение поверхности азотом и углеродом обуславливает высокую тепло- и износостойкость режущего инструмента (см.таблицу). Одновременно покрытие из TiN на карбонитрированный подслой наносят многослойным. В процессе испытаний инструмент, упрочненный по заявляемому способу, показал стабильное увеличение адгезии покрытия к подложке по сравнению с инструментом, упрочненным комплексным покрытием по способу, описанному в прототипе (пример 10).

Предлагаемый способ комплексного упрочнения инструмента позволяет повысить его надежность и сопротивление знакопеременным нагрузкам, возникающим в процессе резания.

Таким образом использование изобретения создают положительный эффект в повышении адгезии износостойкости покрытия к упрочненной основе.

Формула изобретения

СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО УПРОЧНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ, СОДЕРЖАЩИХ БОЛЕЕ 3% ВАНАДИЯ, включающий ионно-плазменную обработку и последующее нанесение покрытия, отличающийся тем, что в качестве ионно-плазменной обработки проводят карбонитрацию в тлеющем разряде, а покрытие наносят из нитрида титана послойно, при плавном повышении давления, причем первые три слоя формируют толщиной по 0,5 мк, а последний рабочий слой толщиной 5 - 6 м.