Способ обработки режущего инструмента для обработки органических материалов и керамики

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к упрочняющей комплексной термической обработке и напылению керамических материалов на режущий инструмент, и может найти применение в производстве изделий из огнеупорных материалов, а также в приборостроении при обработке слоистых пластиков, в радиоэлектронике и машиностроении. Разработанная технология включает создание на режущих поверхностях инструмента из твердых сплавов и титановых сплавов слоя карбонитридов титана вакуумной обработкой при 840 - 950^oC в течение 1 - 2 ч в науглероживающей атмосфере, а также напыление на этот подслой керамической окиси алюминия слоем 100 - 400 мкм с последующим оплавлением электронным лучом или лазером с защитой. Технология осуществима в условиях мелкосерийного предприятия и позволяет при минимальных затратах повысить в 2 - 3 раза износостойкость инструмента при обработке стеклотекстолитов и горячепрессованных керамик типа боросил 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к комплексному упрочнению режущего инструмента химико-термической обработкой и напылением плазменным и газотермическим методом износостойких покрытий на режущие пластины, вставки и паяные резцы.

Известен способ напыления твердосплавного режущего инструмента несколькими интерметаллическими соединениями и окисью алюминия различных модификаций (патент США N 1 408536, 16.01.91 г. аналог).

Способ имеет ограниченное применение, трудоемок, не исключает отслаивания применительно к инструментам малых сечений, велика хрупкость, недостаточна износостойкость режущих кромок.

Другой известный способ нанесения многослойных покрытий на твердосплавный инструмент (Патент России N 2.010.882 аналог) через подслой карбида титана, наносимого плазменным напылением, на которое напыляется Al₂O₃ двух модификаций, имеет аналогичные недостатки и для паяного инструмента не обеспечивает достаточной износостойкости даже при резании неметаллических материалов. Подобные недостатки двух выше описанных способов присущих технологии упрочнения инструмента напылением окиси алюминия присущи способу по (ЕВП N 0408 535 от 19.01.90 г.).

Наиболее близким заявляемому является способ обработки инструмента для обработки органических материалов, предусматривающий формирование твердого подслоя и последующее напыление керамики с термообработкой и формированием промежуточных слоев (ЕВП N 0 430 872.-05.06.91 прототип).

Недостатками способа является неуниверсальность, нестабильная твердость, пористость слоев, низкая адгезия к основному металлу первого подслоя, как следствие вышесказанного низкая износостойкость при резании слоистых пластиков и керамики.

Цель изобретения повышение износостойкости и прочности при улучшении технологичности и сокращении трудоемкости обработки.

Для достижения поставленной цели предусматривается создание на режущих поверхностях инструмента вначале подслоя, когерентно связанного с основным металлом, путем проведения вакуумной химико-термической обработки, а затем напыление слоя окиси алюминия с последующей зонной термической обработкой высококонцентрированными источниками энергии.

Сущность процессов, позволяющих повысить физико-механические характеристики многослойного покрытия, состоит в том, что при диффузионном карбонитрировании подслой насыщается углеродом и азотом, избыточные карбонитриды увеличивают его твердость. Одновременно он прочно связан с основой, не отслаивается, как в известных способах, является высокопрочной подложкой для керамического слоя.

Напыленная керамика Al₂O₃ имеет высокую твердость, но при этом пориста и неоднородна, лишь последующим зонным оплавлением электронным лучом или лазером с защитой инертным газом удается образовать алундовые модификации, по прочности и микротвердости соизмеримые с алмазом. В результате режущие грани приобретают весьма высокую твердость при лучшей прочности связи керамического слоя с основой, что существенно повышает эксплуатационные свойства инструмента при резании стеклотекстолитов, органических материалов и тонкостенных изделий из керамики.

Практически способ осуществлен при изготовлении режущих элементов и вставок для оснащения резцов, при изготовлении паяных расточных резцов с режущей частью из титановых сплавов ВТ-23, ВТ-14, а также из твердых сплавов ВК-60М и ТКН-20.

На чертеже приведены резцы проходные после обработки по предложенному способу после напыления Al₂O₃ и после ЭЛУ оплавления слоя керамики.

Пример 1. Резцы, пригодные для обработки заготовок керамики горячепрессованной БГП, содержащей нитрид бора и двуокись кремния в равных количествах обрабатывали по разработанной технологии.

В начале к державкам из стали 4Х5МФС припаивали пластины из титанового сплава ВТ-23 и после заточки до заданной геометрии проводили вакуумное карбонитрирование при температуре 880^oC в течение 2 ч в атмосфере пиролиза моноэтаноламина при вакууме 120 мм.рт.ст.

Затем после лхлаждения и опескоструивания напылили на установке УПН через подслой интерметаллида титан-алюминий 10 мкм керамический слой окиси алюминия толщиной 200 мкм. Оплавление по передней режущей грани вели на установке электронно-лучевой сварки ЭЛУ-5 с прогревом на всю толщину слоя.

В процессе оплавления исходный керамический слой, состоявший из модификаций γ Al₂O₃ и a Al₂O₃, содержащая 98%-вес корунда, микротвердость поверхности повысилась до H_0,49 1830-1840, класс чистоты поверхности повысился до P_а 1,15 мкм, практически исключена пористость, достигнута высокая гомогенность корунда.

Повысилась прочность связи с основой, одновременно прочность корпуса достигла 1450 1490 МПа, инструмент имел износостойкость в 2 раза более высокую, чем стандартизованный с режущей частью из керамики нитрид кремния.

Пример 2. Сверла твердосплавные из сплава ВК-60М диаметром 1,2 мм для сверления отверстий в платах из стеклотекстолита СТЭФ обрабатывали по предложенному способу.

Вакуумную диффузионную обработку проводили при температуре 960^oC в течение 1 ч в засыпке из графита чешуйчатого и трилона-Б 0,5% вес. Затем напыляли окись алюминия-электрокорунд белый плазменным напылением слоем 400 мкм, последующее оплавление проводили на лазерной установке "Квант-16" с надувом аргоном, ширина оплавленной окантовки составляла 0,3 0,4 мм с перекрытием пятна 50% Обработка позволила создать на режущих кромках износостойкий слой, прочно связанный с основным металлом, микротвердость достигла H_0,49 1850, класс чистоты не хуже P_а 0,80 мкм, доводка супералмазным кругом проводилась дважды.

При сокращении трудоемкости упрочняющей обработки в сравнении с известным способом в 1,2 раза число обработанных отверстий повысилось до 2730 в сравнении с 1420 в известном способе обработки, исключено выкрашивание режущих кромок.

Пример 3. Резцовые вставки сборных резцов расточки тонкостенных изоляторов из керамики боросил, изготовленные из безвольфрамового твердого сплава ТКН-20, подвергали вакуумному науглероживанию в атмосфере пиролиза анилина и триэтаноламина при температуре 840^oC в течение 1,5 ч, а затем напыляли через подслой интерметаллида титан-никель толщиной 5 мкм окисью алюминия Al₂O₃ толщиной слоя 100 мкм. Далее проводили вакуумное оплавление по контуру режущей кромки шириной 1,2 мм напыленной окиси алюминия, нагрев вели в вакууме 10^-4 мм.рт.ст. при мощности луча 5 кВт, удельной мощности 10⁷ Вт/см² и длительности импульсов 10^-6 с.

В результате обработки получен гомогенный состав электрокорунда на режущей кромке с высокой микротвердостью и прочностью соединения 250 380 МПа. В сравнении с аналогами трудоемкость обработки сократилась на 40 50% удельные затраты на подготовку, электроэнергию и обработку сократились в 1,3 раза.

Класс чистоты поверхности режущих граней был не хуже P_а 1,2 мкм, а чистоты обрабатываемых керамических тонкостенных камер-изоляторов стационарных плазменных двигателей повысился до 3,5-4 мкм. Износостойкость инструмента была 840-910 мин или вдвое выше, чем при обработке по известному способу.

Формула изобретения

1. Способ обработки режущего инструмента для обработки органических материалов и керамики, включающий формирование на режущих гранях инструмента слоя окиси алюминия путем плазменного напыления и последующее формирование износостойкого слоя, отличающийся тем, что предварительно перед формированием слоя окиси алюминия формируют карбонитридный слой путем химико-термической обработки в вакууме при 840 950^oС в течение 1 2 ч, слой окиси алюминия формируют толщиной 100 400 мкм, а износостойкий слой формируют путем вакуумного оплавления режущих граней высокоэнергетическим источником энергии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве высокоэнергетического источника энергии используют луч, лазер или ионный пучок.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что карбонитридный слой формируют на режущей части, выполненной из твердых вольфрамо- и титанокобальтовых сплавов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что карбонитридный слой формируют на режущей части, выполненной из безвольфрамовых титаносодержащих твердых сплавов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что карбонитридный слой формируют на режущей части, выполненной из закаливающихся титановых сплавов.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что карбонитридный слой формируют в атмосфере пиролиза этаноламинов.

7. Способ по п.1, отличающийся тем. что карбонитридный слой формируют в засыпке, содержащий графит и трилон Б.

8. Способ по п.1. отличающийся тем, что напыление Al₂O₃ ведут через подслой интерметаллидов титан никель или титан алюминий толщиной 5 10 мкм.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что вакуумное оплавление проводят по контуру режущей кромки непрерывно последовательным способом на ширину 0,2 - 2,0 мм 10. Способ по п.2, отличающийся тем, что лазерную обработку проводят с подачей инертного газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1