Режущий инструмент с износостойким покрытием

Изобретение относится к металлорежущему инструменту, в частности к режущим пластинам и фрезам, используемым для обработки изделий из трудно обрабатываемых материалов, в том числе из титана и его сплавов. Режущий инструмент с износостойким покрытием, содержащий режущие кромки, образованные на пересечении передней и задней поверхностей твердосплавной основы режущей части, в котором износостойкое покрытие включает по меньшей мере структуру, сформированную из TiB2. Структура, сформированная из TiB2, содержит по меньшей мере последовательно нанесенные промежуточный слой из TiB2 и износостойкий слой из TiB2. Промежуточный слой имеет столбчатую металлографическую структуру с преимущественной ориентацией 001. Износостойкий слой имеет в своем составе по меньшей мере слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной р-фазой в границах упомянутых зерен. Обеспечивается повышение стойкости режущего инструмента с покрытием, содержащим TiB2. 9 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 пр.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к металлорежущему инструменту, в частности к режущим пластинам и фрезам, используемым для обработки изделий из трудно обрабатываемых материалов, в том числе из титана и его сплавов.

Уровень техники

При обработке изделий из титана и его сплавов процесс резания сопровождается высокой температурой и эффектом упрочнения стружки, а также значительными знакопеременными нагрузками, действующими на рабочую часть режущего инструмента.

Для повышения работоспособности и стойкости режущего инструмента используют твердую термостойкую основу его рабочей части, химически устойчивое, термостойкое и твердое покрытие, различную конфигурацию передней и задней поверхностей рабочей части режущего инструмента, а также различную конфигурацию режущей кромки.

Известны конструкции режущего инструмента (см., например, патент RU 2640483), где для повышения стойкости рабочей части режущего инструмента в качестве его твердосплавной основы используют твердые сплавы, содержащие (9…14)% Со, (0,2…1,5)% Cr3С2 и (84,5…90,8)% WC. При этом на твердосплавную основу наносят износостойкое покрытие, включающее износостойкий слой из TiB2. При этом слой из TiB2 может быть нанесен методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) или физического осаждения из паровой фазы (PVD).

При использовании метода CVD износостойкий слой из TiB2 имеет внутреннюю металлографическую текстуру от случайной ориентации до ориентации 001, что обеспечивает его высокую твердость и термостойкость, но при этом в нем могут возникать внутренние растягивающие напряжения, которые могут оказывать негативную роль на стойкость износостойкого покрытия в условиях асимметричного нагружения режущего клина.

Для повышения стойкости режущего инструмента также используют многослойные покрытия, предназначенные специально для обработки титановых сплавов (см., например, патент RU 2478731 С1, МПК С23С 14/24, 10.04.2013). В данном патенте представлен режущий инструмент из твердого сплава с многослойным покрытием, нанесенным методом физического осаждения из паровой фазы. При этом многослойное покрытие включает промежуточный слой, служащий диффузным барьером между твердосплавной основой и износоустойчивым покрытием. Промежуточный слой состоит из нитридов металлов из ряда Al, Ti, Zr, а износоустойчивое покрытие состоит из первого слоя, расположенном на промежуточном слое и состоящего из TiB2 или оксида циркония или алюминия, второго адгезионного наноразмерного слоя, состоящего Ti или Zr, и поверхностного слоя, состоящего из чередующихся нанослоев сверхтвердого аморфного углерода и нано слоев металла из ряда Ti, Zr, Cr, W, причем внешний нано слой поверхностного слоя состоит из сверхтвердого аморфного углерода.

Конструкция режущего инструмента, раскрытого в патенте RU 2478731, не позволяет достичь высокой стойкости. Это обусловлено тем, что слой из TiB2, нанесенный на твердосплавную основу методом физического осаждении из паровой фазы при обычных режимах, имеет столбчатую металлографическую структуру с преимущественной ориентацией 001, что существенно снижает его микротвердость (менее 40 ГПа) и, тем самым, отрицательно влияет на стойкость режущего инструмента.

Задачей настоящего изобретения является создание режущего инструмента из твердого сплава с износостойким покрытием повышенной стойкости, нанесенным методом физического осаждения из паровой фазы и содержащим структуру из TiB2 высокой твердости и износостойкости.

Сущность изобретения

Указанный технический результат достигается посредством совокупности признаков, приведенных в соответствующих пунктах формулы изобретения.

Режущий инструмент с износостойким покрытием содержит режущие кромки, образованные на пересечении передней и задней поверхностей твердосплавной основы режущей части. Его износостойкое покрытие включает по меньшей мере структуру, сформированную из TiB2.

Согласно изобретению структура, сформированная из TiB2, содержит, по меньшей мере, последовательно нанесенные промежуточный слой из TiB2 и износостойкий слой из TiB2, причем промежуточный слой имеет столбчатую металлографическую структуру с преимущественной ориентацией 001, а износостойкий слой имеет в своем составе по меньшей мере слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной β-фазой в границах упомянутых зерен.

В соответствии с одним предпочтительным исполнением режущего инструмента между твердосплавной основой и структурой из TiB2 нанесен адгезионный слой, содержащий, по меньшей мере, один из нитридов металлов из ряда Ti, Zr, Nb, Cr, Hf, Та, Al, Mo и W.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента адгезионный слой выполнен из TiN толщиной, выбранной из диапазона 0,7-1,2 мкм, упомянутый промежуточный слой - толщиной, выбранной из диапазона 0,3-1,2 мкм, а упомянутый износостойкий слой - толщиной, выбранной из диапазона 2,0-5,1 мкм.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента внутренние остаточные механические напряжения в его износостойком слое TiB2 имеют значение, выбранное из диапазона (3,5-4,1) ГПа, а его микротвердость соответствует значению, выбранному из диапазона (40-60) ГПа при микротвердости промежуточного слоя менее 40 ГПа,

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента промежуточный слой выполнен в виде нанослоя, сформированного из TiB2 или последовательно чередующихся нанослоев, сформированных из TiB2.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента износостойкий слой дополнительно содержит по меньшей мере первый нанослой из TiB2 со столбчатой металлографической структурой с преимущественной ориентацией зерен 001, причем упомянутый слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной β-фазой в границах упомянутых зерен выполнен вторым нанослоем из TiB2, при этом упомянутые слои выполнены последовательно чередующимися.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента микротвердость первого нанослоя не равна микротвердости второго нанослоя.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента микротвердость первого нанослоя меньше микротвердости второго нанослоя.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента износостойкий слой дополнительно содержит по меньшей мере второй слой из TiB2 со столбчатой металлографической структурой с преимущественной ориентацией зерен 001, причем упомянутый слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной β-фазой в границах указанных зерен выполнен первым слоем из TiB2, причем упомянутые слои выполнены последовательно нанесенными.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента он выполнен в виде сменной режущей пластины или цельного твердосплавного концевого инструмента, или инструмента с механическим креплением сменных режущих пластин.

Для лучшего понимания, но только в качестве примера, изобретение далее будет описано с отсылками к приложенным чертежам, где изображена конструкция режущего инструмента и схематично фрагмент многослойного износостойкого покрытия.

На фиг. 1 изображен в перспективе режущий инструмент с износостойким покрытием, выполненный в виде односторонней сменной режущей пластины (10а);

на фиг. 2а, b, c - структурно изображены фрагменты износостойкого покрытия, нанесенного на рабочую часть режущего инструмента;

На фиг. 3 изображен в перспективе режущий инструмент с износостойким покрытием, выполненный в виде сменной режущей пластины (10b);

на фиг. 4 изображен в перспективе режущий инструмент с износостойким покрытием, выполненный в виде концевой фрезы (10с);

на фиг. 5 изображен в перспективе режущий инструмент, выполненный в виде концевой фрезы (10d) с механическим креплением сменных режущих пластин;

Детальное описание устройства.

Режущий инструмент 10 с износостойким покрытием может быть выполнен в виде сменной режущей пластины 10а, b или концевых фрез с винтовым расположением режущих кромок 10с. Режущий инструмент с износостойким покрытием также может быть выполнен в виде фрез концевых 10d, торцевых или дисковых с механическим креплением сменных режущих пластин. При этом сменные режущие пластины могут иметь прямолинейные или криволинейные режущие кромки. Основа режущей части инструмента, на которую наносят износостойкое покрытие, может быть выполнена из порошков, содержащих карбиды вольфрама, кермета или керамики. Далее более подробно рассмотрим фигуры 1-5.

В качестве примера на фиг. 1 изображен в перспективе режущий инструмент 10 с износостойким покрытием 20, выполненный в виде односторонней сменной режущей пластины 10а, имеющей твердосплавную основу 18.

Режущий инструмент 10 с износостойким покрытием 20 содержит режущие кромки 12, образованные на пересечении передней 14 и задней 16 поверхностей твердосплавной основы 18 режущей части. Его износостойкое покрытие 20 включает по меньшей мере структуру 22, сформированную из TiB2. При этом использован метод физического осаждения покрытия из паровой фазы.

В соответствии с изобретением структура 22, сформированная из TiB2, содержит, по меньшей мере, последовательно нанесенные промежуточный слой 24) из TiB2 и износостойкий слой 26 из TiB2. При этом промежуточный слой 24 имеет столбчатую металлографическую структуру с преимущественной ориентацией 001, а износостойкий слой 26 имеет в своем составе по меньшей мере слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной β-фазой в границах упомянутых зерен.

В соответствии с одним предпочтительным исполнением режущего инструмента между твердосплавной основой 18 и структурой 22 из TiB2 нанесен адгезионный слой 28. Он содержит по меньшей мере один из нитридов металлов из ряда Ti, Zr, Nb, Cr, Hf, Та, Al, Mo и W.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента адгезионный слой 28 выполнен из TiN толщиной, выбранной из диапазона 0,7-1,2 мкм, упомянутый промежуточный слой 24 - толщиной, выбранной из диапазона 0,3-1,2 мкм, а упомянутый износостойкий слой 26 - толщиной, выбранной из диапазона 2,0-5,1 мкм.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента внутренние остаточные механические напряжения в износостойком слое 26 TiB2 имеют значение, выбранное из диапазона (3,5-4,1) ГПа, а его микротвердость соответствует значению, выбранному из диапазона (40-60) ГПа при микротвердости промежуточного слоя 24 менее 40 ГПа,

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента промежуточный слой 24 выполнен в виде нанослоя, сформированного из TiB2, или последовательно чередующихся нанослоев, сформированных из TiB2.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента износостойкий слой 26 дополнительно содержит по меньшей мере первый нанослой 30 из TiB2 со столбчатой металлографической структурой с преимущественной ориентацией зерен 001, причем упомянутый слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной β-фазой в границах упомянутых зерен выполнен вторым нанослоем 32 из TiB2, при этом упомянутые слои выполнены последовательно чередующимися.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента микротвердость первого нанослоя 30 не равна микротвердости второго нанослоя 32.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента микротвердость первого нанослоя 30 меньше микротвердости второго нанослоя 32.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента износостойкий слой 26 дополнительно содержит по меньшей мере второй слой 36 из TiB2 со столбчатой металлографической структурой с преимущественной ориентацией зерен 001, причем упомянутый слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной β-фазой в границах указанных зерен выполнен первым слоем 34 из TiB2, причем упомянутые слои 34 и 36 выполнены последовательно нанесенными.

Пример использования изобретения

Сменные режущие пластины 10а устанавливали на торцевую фрезу диаметром 50 мм. Далее торцевую фрезу устанавливали в шпиндель фрезерного станка HAAS VF-2S5 и фрезеровали на различных режимах по плоскости заготовку из титанового сплава ВТ-23.

При этом стойкость одной режущей кромки 12 при максимальном износе по задней поверхности 16, равном 0,4 мм, и следующих режимах резания: скорость резания Vc=35 м/мин., подача на зуб fz=0,15 мм/зуб, глубина фрезерования ар=4 мм и ширина фрезерования ае=32,5 мм, составила 180 мин.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет существенно повысить стойкость металлорежущего инструмента при обработке изделий из титанового сплава при повышенных режимах резания.

Хотя настоящее изобретение было описано с определенной степенью детализации, следует понимать, что его различные изменения и модификации могут быть выполнены без отхода от существа и объема изобретения, изложенного в приведенной ниже формуле изобретения.

1. Режущий инструмент (10) с износостойким покрытием (20), содержащий режущие кромки (12), образованные на пересечении передней (14) и задней (16) поверхностей твердосплавной основы (18) режущей части, в котором износостойкое покрытие (20) включает по меньшей мере структуру (22), сформированную из TiB2, отличающийся тем, что структура (22), сформированная из TiB2, содержит по меньшей мере последовательно нанесенные промежуточный слой (24) из TiB2 и износостойкий слой (26) из TiB2, причем промежуточный слой (24) имеет столбчатую металлографическую структуру с преимущественной ориентацией 001, а износостойкий слой (26) имеет в своем составе по меньшей мере слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной р-фазой в границах упомянутых зерен.

2. Режущий инструмент (10) по п. 1, отличающийся тем, что между твердосплавной основой (18) и структурой (22) из TiB2 нанесен адгезионный слой (28), содержащий по меньшей мере один из нитридов металлов из ряда Ti, Zr, Nb, Cr, Hf, Та, Al, Mo и W.

3. Режущий инструмент (10) по п. 2, отличающийся тем, что адгезионный слой (28) выполнен из TiN толщиной, выбранной из диапазона 0,7-1,2 мкм, упомянутый промежуточный слой (24) - толщиной, выбранной из диапазона 0,3-1,2 мкм, а упомянутый износостойкий слой (26) - толщиной, выбранной из диапазона 2,0-5,1 мкм.

4. Режущий инструмент (10) по п. 1, отличающийся тем, что внутренние остаточные механические напряжения в износостойком слое (26) TiB2 имеют значение, выбранное из диапазона (3,5-4,1) ГПа, а его микротвердость соответствует значению, выбранному из диапазона (40-60) ГПа при микротвердости промежуточного слоя (24) менее 40 ГПа.

5. Режущий инструмент (10) по п. 1, отличающийся тем, что промежуточный слой (24) выполнен в виде нанослоя, сформированного из TiB2, или последовательно чередующихся нанослоев, сформированных из TiB2.

6. Режущий инструмент (10) по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что износостойкий слой (26) дополнительно содержит по меньшей мере первый нанослой (30) из TiB2 со столбчатой металлографической структурой с преимущественной ориентацией зерен 001, причем упомянутый слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной β-фазой в границах упомянутых зерен выполнен вторым нанослоем (32) из TiB2, при этом упомянутые слои выполнены последовательно чередующимися.

7. Режущий инструмент (10) по п. 6, отличающийся тем, что микротвердость первого нанослоя (30) не равна микротвердости второго нанослоя (32).

8. Режущий инструмент (10) по п. 6, отличающийся тем, что микротвердость первого нанослоя (30) меньше микротвердости второго нанослоя (32).

9. Режущий инструмент (10) по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что износостойкий слой (26) дополнительно содержит по меньшей мере второй слой (36) из TiB2 со столбчатой металлографической структурой с преимущественной ориентацией зерен 001, причем упомянутый слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной β-фазой в границах указанных зерен выполнен первым слоем (34) из TiB2, причем упомянутые слои (34, 36) выполнены последовательно нанесенными.

10. Режущий инструмент (10) по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что он выполнен в виде сменной режущей пластины (10а, 10b) или цельного твердосплавного концевого инструмента (10c), или инструмента с механическим креплением сменных режущих пластин (10d).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения тонких алмазных пленок и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для получения тонкопленочных упрочняющих покрытий и активных слоев тонкопленочных наноструктур.

Изобретение относится к способу получения тонких алмазных пленок и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для получения тонкопленочных упрочняющих покрытий и активных слоев тонкопленочных наноструктур.
Изобретение относится к способам получения светопоглощающего материала с перовскитоподобной структурой и может быть использовано для формирования светопоглощающего слоя при производстве фотоэлектрических преобразователей с обеспечением экономии материалов и повышения допустимых размеров преобразователей.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к созданию защитных и упрочняющих покрытий методами химико-термической обработки изделий из конструкционных и специальных сталей, и может быть использовано в промышленном производстве при серийном изготовлении изделий на предприятиях автомобильной, авиационной, кораблестроительной и станкостроительной отраслей, при производстве сельскохозяйственных инструментов и агрегатов, а также для проведения комплексных лабораторных исследований.

Изобретение относится к способу получения наплавленного покрытия на подложке (варианты), материалу для получения наплавленного покрытия (варианты) и наплавленному на подложку покрытию(варианты).

Изобретение относится к технологии получения тонких пленок для сверхвысокочастотных применений и может быть использовано для выбора оптимальных компонентных составов пленок и срезов монокристаллической подложки для достижения эпитаксиального роста.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят нанесение многослойного покрытия.
Изобретение относится к способу упрочнения рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении.

Изобретение относится к получению квантовых точек, используемых в качестве биологических маркеров. Способ получения коллоидных полупроводниковых квантовых точек селенида цинка в оболочке хитозана включает взаимодействие хлорида цинка с селенид-ионами в присутствии аммиака и покрывающего агента.

Изобретение относится к способу получения тонких алмазных пленок и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для получения тонкопленочных упрочняющих покрытий и активных слоев тонкопленочных наноструктур.

Изобретение относится к технологии получения композиционной нанокерамики с высокими показателями микротвердости и прочности на изгиб, которая может найти широкое применение в различных областях современной техники.

Использование: для создания тензорезисторных датчиков деформации. Сущность изобретения заключается в том, что униполярный датчик деформации содержит гибкую подложку, стекловолокно, на котором нанесена смесь углеродных нанотрубок и графитового порошка, при этом содержит слой толщиной 5-15 мкм из композиционного тканеинженерного наноматериала в составе акриловой краски и одностенных углеродных нанотрубок с концентрацией 2-3 мас.

Изобретение относится к получению наночастиц металла. Способ включает испарение мишени из металла электронным пучком в вакууме и осаждение наночастиц металла.

Изобретение относится к нанотехнологиям, а именно к способам получения новых прозрачных консолидированных функциональных материалов (керамик) с высокими механическими характеристиками для фотоники и лазерной техники.
Изобретение относится к области нанотехнологии, медицины и пищевой промышленности. Способ получения нанокапсул сухого экстракта хвоща характеризуется тем, что сухой экстракт хвоща добавляют в суспензию гуаровой камеди в петролейном эфире в присутствии 0,01 г сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 900 об/мин, далее приливают хладон-112, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре, при этом массовое соотношение ядро : оболочка составляет 1:1, 1:2 или 1:3.

Группа изобретений относится к технологии устройств твердотельной электроники и может быть использована при разработке фотоприемников видимого и ближнего ИК-диапазона.

Изобретение относится к фармакологии, фармацевтике, дерматовенерологии, комбустиологии, области получения мазей и других мягких лекарственных форм и представляет собой способ получения средства для местного лечения кожных заболеваний на основе наноразмерных частиц золота, вазелина и твердых присадок, составляемого из раствора наноразмерных частиц золота, получаемого электрохимически через помещение в емкость с рабочей смесью цитратного С6Н8О7 и аммиачного раствора NH4 выполненного из золота электрода, который отделен от другого выполненного из золота электрода микропористой перегородкой, который заключается в том, что полученный раствор наноразмерных частиц золота подвергают сублимации в камере лиофильной сушки для удаления избытков воды с последующим смешиванием с вазелином и смесью порошкового талька с белой глиной в отношении 4 доли вазелина к одной доле талька с глиной и конечной гомогенизацией в ультразвуковом смесителе до получения мази, либо в том, что полученный раствор наноразмерных частиц золота подвергают сублимации в камере лиофильной сушки для удаления избытков воды с последующим смешиванием с вазелином и смесью порошкового талька с белой глиной в отношении одна доля вазелина к одной доле талька с глиной и конечной гомогенизацией в ультразвуковом смесителе до получения пасты.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может использоваться для синтеза активной среды при создании мощных лазеров, генерирующих в среднем ИК-диапазоне длин волн.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к металлорежущему инструменту, в частности к режущим пластинам и фрезам, используемым для обработки изделий из трудно обрабатываемых материалов, в том числе из титана и его сплавов. Режущий инструмент с износостойким покрытием, содержащий режущие кромки, образованные на пересечении передней и задней поверхностей твердосплавной основы режущей части, в котором износостойкое покрытие включает по меньшей мере структуру, сформированную из TiB2. Структура, сформированная из TiB2, содержит по меньшей мере последовательно нанесенные промежуточный слой из TiB2 и износостойкий слой из TiB2. Промежуточный слой имеет столбчатую металлографическую структуру с преимущественной ориентацией 001. Износостойкий слой имеет в своем составе по меньшей мере слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной р-фазой в границах упомянутых зерен. Обеспечивается повышение стойкости режущего инструмента с покрытием, содержащим TiB2. 9 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 пр.

Наверх