Способ получения износостойкого покрытия режущего инструмента

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам нанесения наноструктурированных и износостойких покрытий методом ионно-плазменного напыления на поверхность режущих инструментов. Способ получения износостойкого покрытия режущего инструмента включает нанесение на поверхность режущего инструмента покрытия, содержащего титан, алюминий и ниобий, при этом перед нанесением покрытия поверхность режущего инструмента подвергают ионно-плазменному травлению в вакуумной камере низкотемпературной аргоновой плазмой при давлении 1-3 Па, а после нанесения - фазообразующему термическому окислительному отжигу при температуре 550-650°С в течение 1-2 ч. Нанесение покрытия осуществляют ионно-плазменным напылением при давлении 1-3 Па, токе 150-200 мА с получением покрытия толщиной 100-300 мкм. Наносимое покрытие дополнительно содержит ванадий и диборид титана. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости, стойкости к усталостному растрескиванию покрытия и стойкости к коррозионному разрушению поверхности режущего инструмента. 1 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам нанесения наноструктурированных и износостойких покрытий методом ионно-плазменного напыления на поверхность режущих инструментов.

Аналогом изобретения является способ нанесения износостойкого покрытия из нитрида титана, кремния и алюминия TiSiAIN вакуумно-плазменным методом на поверхность режущего инструмента [Табаков В.П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента В.П. Табаков. - М.: Машиностроение, 2008-312 с.].

Недостатком данного способа является низкая твердость получаемого покрытия, в результате чего происходит его быстрое изнашивание, а также низкая пластичность, приводящая к быстрому зарождению и распространению трещин, и как следствие, к разрушению покрытия и низкая коррозионная стойкость, связанная с окислением титана при повышении температуры.

Прототипом изобретения является способ получения износостойкого покрытия для режущего инструмента (пат. №2648814, МПК С23С 14/02, С23С 14/24, В23В 27/14, опубл. 28.03.2018 г., бюл. №10), включающий вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида титана, алюминия, кремния, ниобия и молибдена, взятых в следующем соотношении, мас. %: титан 63,56, алюминий 10,11, кремний 0,94, ниобий 21,47, молибден 3,92, при этом нанесение покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют из сплава титана и кремния, второй - из сплава титана и алюминия и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из ниобия и молибдена и располагают между ними.

Недостатком данного способа является низкая твердость получаемого покрытия, в результате чего происходит его быстрое изнашивание, а также низкая пластичность, приводящая к быстрому зарождению и распространению трещин, и как следствие, к разрушению покрытия и низкая коррозионная стойкость, связанная с окислением титана при повышении температуры.

Задачей изобретения является усовершенствование способа получения износостойкого покрытия, позволяющее повысить эксплуатационные характеристики режущего инструмента.

Техническим результатом является повышение износостойкости, стойкости к усталостному растрескиванию покрытия и стойкости к коррозионному разрушению.

Технический результат достигается тем, способ получения износостойкого покрытия режущего инструмента, включающий нанесение на поверхность режущего инструмента покрытия содержащего титан, алюминий и ниобий, при этом перед нанесением покрытия поверхность режущего инструмента подвергают ионно-плазменному травлению в вакуумной камере низкотемпературной аргоновой плазмой при давлении 1-3 Па, а после нанесения - фазообразующему термическому окислительному отжигу при температуре 550-650°С в течение 1-2 часов, при этом нанесение покрытия осуществляют ионно-плазменным напылением при давлении 1-3 Па, токе 150-200 мА с получением покрытия толщиной 100-300 мкм, а состав наносимого покрытия дополнительно содержит ванадий и диборид титана при следующем содержании исходных компонентов покрытия, вес.%: Аl 5,5-6,5; V 7-8; Nb 2-4 TiB2 1-2; Ti - остальное.

Проведение предварительного ионно-плазменного травления низкотемпературной аргоновой плазмой поверхности режущего инструмента при давлении 1-3 Па позволяет повысить адгезионную прочность между покрытием и поверхностью режущего инструмента, за счет микроструктурирования поверхности режущего инструмента, что позволяет легко очистить поверхность изделия от загрязнений и остатков смазки. При этом также одновременно происходит во время ионно-плазменного травления - поверхностная абляция материала, позволяющая изменить структурно-механические свойства изделия, увеличить шероховатость, что улучшает адгезионную прочность между материалом покрытия и поверхностью металла режущего инструмента. Ионно-плазменную обработку применяют к широкому спектру видов режущего инструмента любого состава и сложной геометрической формы. Таким образом, обработка поверхности режущего инструмента перед нанесением покрытия ионно-плазменным травлением позволяет улучшить физико-механические свойства получаемого режущего инструмента.

Нанесение наноструктурированных металлических покрытий желаемого химического состава и толщины 100-300 мкм, путем ионно-плазменного напыления позволяют получить покрытие, характеризующееся высокой адгезионной прочностью, приближаемой по значению к металлургической. Это обусловлено тем, что при нанесении наноструктурированного покрытия путем ионно-плазменнного напыления при давлении 1-3 Па токе 150-200 мА не происходит термического нагрева поверхности режущего инструмента, в результате чего не происходит возникновения остаточных напряжений на поверхности инструмента и вдоль границ раздела изделие-покрытие, а также повышается стойкость режущего инструмента с покрытием к усталостному растрескиванию. Также ионно-плазменное напыление обеспечивает возможность получения покрытия с наноразмерной структурой в диапазоне размеров 5-15 нм, характеризующегося ультравысокой твердостью, высокой усталостной прочностью и повышенной износостойкостью, обусловленных определенной формой кубической и тетрагональной сингонии и размером наночастиц, принадлежащих области максимальной реализации эффекта Холла-Петча.

Получение на поверхности режущего инструмента покрытия состава TiAlVNbTiB2 позволяет повысить эксплуатационные характеристики режущего инструмента. Состав TiAlVNbTiB2 представляет собой титано-алюминиевый сплав легированный ванадием - V, ниобием - Nb и диборидом титана - TiB2.

Так титан-алюминиевые сплавы, имеют высокую жаропрочность и жаростойкость, что обеспечивает сохранение геометрии режущей кромки инструмента при эксплуатации и как следствие сохранение высоких режущих характеристик инструмента в процессе резания.

Использование в качестве легирующего элемента для титан-алюминиевого сплава ванадия в количестве 7-8% позволяет переводить кристаллическую решетку сплава TiAl от тетрагональной формы к кубической, что в свою очередь позволяет повысить пластичность получаемого покрытия, таким образом, также повышается стойкость покрытия к усталостному растрескиванию. Также перевод от тетрагональной к кубической решетки позволяет в сплавах TiAl, позволяет повысить микротвердость покрытия, что также повышает износостойкость инструмента.

Наличие в титан-алюминиевом сплаве в качестве легирующего элемента ниобия в количестве 2-4% позволяет повысить термодинамической активности Аl по сравнению с Ti, способствуя тем самым образованию устойчивого защитного слоя Al2O3 на поверхности покрытия, при этом оксидная пленка Al2O3 имеет высокую микротвердость и плотную структуру, блокирующую дальнейшее окисление покрытия, в том числе и титана, содержащегося в покрытии, также оксидная пленка Аl2O3 повышает коррозионную стойкость и износостойкость покрытия.

Добавление в состав покрытия 1-2% TiB2, являющегося упрочняющей дисперсионной фазой, находящейся в равновесии со сплавом титана и алюминия (алюмидами титана) при хорошей физико-химической и механической совместимости позволяет повысить прочностные характеристики покрытия и микротвердость, сохранить пластичность и вязкость покрытия, а также повысить его жаропрочность и жаростойкость, за счет блокирования роста зерен структуры при повышении температуры, которая всегда сопровождает процесс обработки металла резанием.

Проведение термического окислительного фазообразующего отжига после ионно-плазменного напыления позволяет создать поверхностный слой из высокотвердых высокотермостойких наночастиц смеси оксидов кубической фазы и тетрагональной фазы, что приводит к получению высокотвердых покрытий с высокой износостойкостью и значительной усталостной прочностью.

Получение износостойкого покрытия режущего инструмента, происходит следующим образом:

- на первом этапе происходит предварительное ионно-плазменное травление поверхности обрабатываемого изделия низкотемпературной аргоновой плазмой для улучшения адгезии наносимого защитного покрытия в вакуумной камере ускоренными ионами при давлении 1-3 Па;

- на втором этапе на подготовленную поверхность обрабатываемого изделия наносят наноструктурированное покрытие толщиной 100-300 мкм методом ионно-плазменного напыления при давлении 1-3 Па, токе 150-200 мА сплава Ti-Al-V-Nb-TiB2 при следующем соотношении исходных компонентов покрытия вес %: Аl 5,5-6,5; V 7-8; Nb 2-4; TiB2 1-2; Ti - остальное, путем переноса с поверхности мишени состава аналогичного наносимого покрытию на поверхность режущего инструмента;

- после чего проводят термический окислительный фазообразующий отжиг при температуре 550-650°С в течение 1-2 часа для появления поверхностного слоя наночастиц высокотвердого оксида кубической фазы Al2O3 в смеси с тетрагональными наночастицами рутила TiO2 и диоксида ванадия VO2, приводящего также к повышению адгезионной прочности износостойкого покрытия, возрастанию его твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и усталостной прочности вследствие процесса перекристаллизации нанесенного покрытия.

Пример 1.

Получение износостойкого покрытия режущего инструмента, происходит следующим образом:

- на первом этапе происходит предварительное ионно-плазменное травление поверхности обрабатываемого изделия низкотемпературной аргоновой плазмой для улучшения адгезии наносимого защитного покрытия в вакуумной камере ускоренными ионами при давлении 3 Па;

- на втором этапе на подготовленную поверхность обрабатываемого изделия наносят наноструктурированное покрытие толщиной 100 мкм методом ионно-плазменного напыления при давлении 3 Па, токе 150 мА сплава Ti-Al-V-Nb-TiB2 при следующем соотношении исходных компонентов покрытия вес %: Аl - 5,5; V - 7; Nb - 2; TiB2 - 1; Ti - остальное, путем переноса с поверхности мишени состава аналогичного наносимого покрытию на поверхность режущего инструмента;

- после чего проводят термический окислительный фазообразующий отжиг при температуре 550°С в течение 1 часа для появления поверхностного слоя наночастиц высокотвердого оксида кубической фазы Аl2O3 в смеси с тетрагональными наночастицами рутила TiO2 и диоксида ванадия VO2, приводящего также к повышению адгезионной прочности износостойкого покрытия, возрастанию его твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и усталостной прочности вследствие процесса перекристаллизации нанесенного покрытия.

Пример 2

Получение износостойкого покрытия режущего инструмента, происходит следующим образом:

- на первом этапе происходит предварительное ионно-плазменное травление поверхности обрабатываемого изделия низкотемпературной аргоновой плазмой для улучшения адгезии наносимого защитного покрытия в вакуумной камере ускоренными ионами при давлении 2 Па;

- на втором этапе на подготовленную поверхность обрабатываемого изделия наносят наноструктурированное покрытие толщиной 200 мкм методом ионно-плазменного напыления при давлении 2 Па, токе 175 мА сплава Ti-Al-V-Nb-TiB2 при следующем соотношении исходных компонентов покрытия вес %: Аl - 6; V - 7,5; Nb - 3; TiB2 - 1,5; Ti - остальное, путем переноса с поверхности мишени состава аналогичного наносимого покрытию на поверхность режущего инструмента;

- после чего проводят термический окислительный фазообразующий отжиг при температуре 600°С в течение 1,5 часа для появления поверхностного слоя наночастиц высокотвердого оксида кубической фазы Al2O3 в смеси с тетрагональными наночастицами рутила TiO2 и диоксида ванадия VO2, приводящего также к повышению адгезионной прочности износостойкого покрытия, возрастанию его твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и усталостной прочности вследствие процесса перекристаллизации нанесенного покрытия.

Пример 3

Получение износостойкого покрытия режущего инструмента, происходит следующим образом:

- на первом этапе происходит предварительное ионно-плазменное травление поверхности обрабатываемого изделия низкотемпературной аргоновой плазмой для улучшения адгезии наносимого защитного покрытия в вакуумной камере ускоренными ионами при давлении 1 Па;

- на втором этапе на подготовленную поверхность обрабатываемого изделия наносят наноструктурированное покрытие толщиной 300 мкм методом ионно-плазменного напыления при давлении 1 Па, токе 200 мА сплава Ti-Al-V-Nb-TiB2 при следующем соотношении исходных компонентов покрытия вес %: Аl - 6,5; V - 8; Nb - 4; TiB2 - 2; Ti - остальное, путем переноса с поверхности мишени состава аналогичного наносимого покрытию на поверхность режущего инструмента;

- после чего проводят термический окислительный фазообразующий отжиг при температуре 650°С в течение 2 часа для появления поверхностного слоя наночастиц высокотвердого оксида кубической фазы Аl2O3 в смеси с тетрагональными наночастицами рутила TiO2 и диоксида ванадия VO2, приводящего также к повышению адгезионной прочности износостойкого покрытия, возрастанию его твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и усталостной прочности вследствие процесса перекристаллизации нанесенного покрытия.

Результаты испытаний образцов полученных износостойких покрытий сведены в таблицу 1.

Анализ данных представленных в таблице, позволяет сделать вывод о том, что режущий инструмент с износостойким покрытиям, полученным по заявляемому способу, характеризуется более высокими физико-механическими характеристиками, по сравнению с пластинами, изготовленными по известным способам.

Таким образом, совокупность заявляемых признаков позволяет достичь поставленный технический результат.

Способ получения износостойкого покрытия режущего инструмента, включающий нанесение на поверхность режущего инструмента покрытия, содержащего титан, алюминий и ниобий, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия поверхность режущего инструмента подвергают ионно-плазменному травлению в вакуумной камере низкотемпературной аргоновой плазмой при давлении 1-3 Па, а после нанесения - фазообразующему термическому окислительному отжигу при температуре 550-650°С в течение 1-2 ч, при этом нанесение покрытия осуществляют ионно-плазменным напылением при давлении 1-3 Па, токе 150-200 мА с получением покрытия толщиной 100-300 мкм, а наносимое покрытие дополнительно содержит ванадий и диборид титана при следующем содержании исходных компонентов покрытия, вес.%: Аl 5,5-6,5; V 7-8; Nb 2-4; TiB2 1-2; Ti - остальное.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам защиты легированных сплавов на основе титаналюминидов с преобладающей фазой γ-TiAl. Сплавы этого типа отличаются малой плотностью, высокой удельной прочностью и стойкостью к окислению и предназначены для изготовления конструкций, работающих при высоких температурах и нагрузках.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения градиентных нанокомпозитных теплозащитных покрытий для деталей, подверженных воздействию высокотемпературных газовых потоков в авиационной, ракетно-космической технике и машиностроении.

Изобретение относится к области термо-химической обработки материалов. Способ плазменного азотирования оксида кремния в твердой фазе в контролируемой среде включает воздействие на упомянутый оксид кремния низкотемпературной азотной плазмой при атмосферном давлении в течение 7-10 секунд.

Изобретение относится к технологии получения покрытий и может быть использовано в различных отраслях машиностроения при изготовлении или восстановлении деталей для придания поверхности повышенных механических характеристик.

Изобретение относится к области защитных полимерных покрытий, может быть использовано в машиностроительной, авиационной, приборостроительной промышленности и других областях техники.
Изобретение относится к материалу для нанесения покрытия, в частности борированному порошку для плазменного напыления. Может использоваться для формирования износостойких покрытий.

Изобретение относится к покрытой частице, образованной путем покрывания поверхности частицы основного материала углеродными частицами, полученными способом детонации.

Изобретение относится к составу для истираемого уплотнения турбомашины и может быть использовано для нанесения покрытия на опору уплотнения осевой турбомашины. Состав для истираемого покрытия (38) уплотнения (39) осевой турбомашины путем плазменного напыления содержит металл, содержащий алюминий, органический или минеральный наполнитель, причем в качестве органического наполнителя используют полимер, а в качестве минерального наполнителя используют гексагональный нитрид бора или фтористый кальций, при этом металл дополнительно содержит от 20 до 45 вес.% никеля, в частности никелевого порошка, и от 55 до 80 вес.% алюминия, в частности алюминиевого порошка.

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению эрозионно-стойких теплозащитных покрытий методом плазменного напыления. Может применяться в ракетно-космической технике при изготовлении теплонагруженных элементов ЖРД, например камер сгорания.

Изобретение относится к области получения жаростойких материалов и может быть использовано для нанесения высокотемпературных антиокислительных защитных покрытий на особожаропрочные конструкционные материалы (углерод-углеродные и углерод-керамические композиционные материалы, углеграфитовые материалы, сплавы на основе Nb, Мо, W), широко применяемые в авиакосмической, ракетной и других отраслях промышленности.
Изобретение относится к области создания высокопрочных жаростойких покрытий с антифрикционными свойствами на металлических (стальных) поверхностях подшипников, пресс-форм, штампов и других изделий, подвергаемых высоким сжимающим и сдвиговым нагрузкам.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам получения покрытия на поверхности стальных деталей путем переноса высокотемпературным газовым потоком наночастиц.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам получения покрытия на поверхности деталей из цветных металлов путем переноса высокотемпературным газовым потоком наночастиц.

Изобретение относится к способу электродуговой металлизации и может найти применение в различных отраслях машиностроения и ремонтном производстве. Техническим результатом изобретения является повышение адгезионной прочности и износостойкости покрытий, полученных методом электродуговой металлизации, за счет применения водного раствора неорганических веществ.

Группа изобретений относится к области автомобилестроения. Способ изготовления тормозного диска заключается в том, что на основном корпусе тормозного диска выполняется эмалевое покрытие, для этого придают шероховатость поверхности основного корпуса в отдельных областях.

Группа изобретений относится к области транспорта. Способ изготовления тормозного диска, в котором фрикционный слой расположен в некоторых областях на основном корпусе тормозного диска.

Компонент газовой турбины, имеющий теплоизолирующую внешнюю поверхность для воздействия газообразных продуктов сгорания, содержит металлическую подложку, крепящий слой на поверхности подложки, теплозащитное покрытие, структуру выступающих элементов и структуру элементов в виде канавок.

Изобретение относится к способу подготовки подложки к нанесению металлического покрытия посредством термического напыления. Наносят слой адгезива на покрываемую зону, причем слой имеет однородную толщину более 10 мкм и менее 100 мкм.

Изобретение относится к области нанесения покрытий и может быть использовано для упрочнения режущего инструмента и металлических деталей машин. Способ плазменного нанесения покрытия на металлическую заготовку включает нагрев поверхности заготовки и плазменное напыление слоя покрытия на ее поверхность, при этом осуществляют нагрев участка поверхности, на который наносят покрытие, плазменной струей до температуры, при которой размер расширенного тепловым потоком участка поверхности будет равен размеру наносимого покрытия на упомянутом участке при температуре напыления, после нанесения требуемого слоя напыление прекращают и измеряют температуру поверхности покрытия и температуру поверхности заготовки на границе напыленного слоя и устраняют разницу в температурах путем регулирования подачи охлаждающей среды на границу раздела напыленного слоя и заготовки до их остывания.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению оправки для прошивного трубопрокатного стана для изготовления бесшовной стальной трубы. Способ включает этап дугового напыления расплавленной железной проволоки и напыление ее расплавленного материала на поверхность основного металла оправки с использованием дугового распылителя с образованием пленки, содержащей оксид железа и железо на поверхности основного металла оправки.
Изобретение относится к способу нанесения тонких металлических покрытий на подложку и может найти применение в вакуумной металлургии для нанесения металлических защитных или декоративных покрытий на изделия.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам нанесения наноструктурированных и износостойких покрытий методом ионно-плазменного напыления на поверхность режущих инструментов. Способ получения износостойкого покрытия режущего инструмента включает нанесение на поверхность режущего инструмента покрытия, содержащего титан, алюминий и ниобий, при этом перед нанесением покрытия поверхность режущего инструмента подвергают ионно-плазменному травлению в вакуумной камере низкотемпературной аргоновой плазмой при давлении 1-3 Па, а после нанесения - фазообразующему термическому окислительному отжигу при температуре 550-650°С в течение 1-2 ч. Нанесение покрытия осуществляют ионно-плазменным напылением при давлении 1-3 Па, токе 150-200 мА с получением покрытия толщиной 100-300 мкм. Наносимое покрытие дополнительно содержит ванадий и диборид титана. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости, стойкости к усталостному растрескиванию покрытия и стойкости к коррозионному разрушению поверхности режущего инструмента. 1 табл., 3 пр.

Наверх