CZ27493U1 - Obráběcí a/nebo řezné nástroje z rychlořezné oceli pro opracování dřeva a dřevěných kompozitů - Google Patents

Obráběcí a/nebo řezné nástroje z rychlořezné oceli pro opracování dřeva a dřevěných kompozitů Download PDF

Info

Publication number
CZ27493U1
CZ27493U1 CZ2014-29959U CZ201429959U CZ27493U1 CZ 27493 U1 CZ27493 U1 CZ 27493U1 CZ 201429959 U CZ201429959 U CZ 201429959U CZ 27493 U1 CZ27493 U1 CZ 27493U1
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
cutting
wood
tools
layer
speed steel
Prior art date
Application number
CZ2014-29959U
Other languages
English (en)
Inventor
Petr Louda
Jiří Krejčík
Zbigniew Roźek
Original Assignee
Technická univerzita v Liberci
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technická univerzita v Liberci filed Critical Technická univerzita v Liberci
Publication of CZ27493U1 publication Critical patent/CZ27493U1/cs

Links

Landscapes

  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Description

Obráběcí a/nebo řezné nástroje z rychlořezné oceli pro opracování dřeva a dřevěných kompozitů
Oblast techniky
Technické řešení se týká obráběcích a řezných nástrojů k opracování dřeva a dřevěných kompozitů, kteréžto nástroje jsou vyrobeny z rychlořezné oceli a jejichž povrch je opatřen nanokompozitní vícevrstvou.
Dosavadní stav techniky
V současné době existuje velký zájem o prodloužení životnosti nástrojů k obrábění dřeva a dřevěných kompozitů. Dřevo a dřevěné kompozity, mezi které náleží např. dřevotříska, laminát, dýha apod., jsou charakterizované vnitřní nehomogenní strukturou. Jedná se o vícesložkovou, hygroskopickou, vláknitou a pórovitou strukturu o anizotropních vlastnostech. Jelikož mají tyto materiály velmi specifické vlastnosti, je obtížné jejich obrábění. Procesy obrábění v dřevařském průmyslu jsou prováděné pri vysokých otáčkách, kde hlavní mechanismus opotřebení nástrojů a nářadí je ovlivněn erozními procesy. Nástroje a nářadí, které se používají k obrábění těchto materiálů, by měly být charakterizovány vysokou odolností proti opotřebení pri vysokých rychlostech zpracování.
Tyto požadavky mohou být splněny dvěma různými způsoby modifikace. Prvním způsobem je zavedení nových materiálů nebo modifikace vlastností stávajících materiálů, např. termo-chemickým zpracováním. V tomto případě lze také uvažovat o změně geometrie pracovních částí použitých nástrojů. Druhá skupina modifikace je spojena s volbou správného systému povrchu nástroje, např. volba tenké vrstvy, kdy tenká vrstva dosahuje společně se substrátem obráběcího či řezného nástroje specifických vlastností a chování v pracovním cyklu, zejména z hlediska zlepšení trvanlivosti nástroje.
Materiálem široko používaným při obrábění dřeva je rychlořezná ocel. Nástroje a nářadí vyrobené z tohoto materiálu jsou charakterizované nízkou výrobní cenou, avšak také nízkými užitnými vlastnostmi. Ke zlepšení životnosti nástrojů a nářadí k obrábění dřeva a dřevěných kompozitů z rychlořezné oceli se používá plazmové technologie. Pomocí této technologie se na povrchu takto modifikovaných nástrojů a nářadí vytvářejí tenké vrstvy zlepšující jejich užitné vlastnosti, např. tvrdost, součinitel tření a odolnost proti opotřebení. Jsou známá řešení, pri kterých se v těchto aplikacích využívá tenkých tvrdých vrstev na bázi nitridů a/nebo karbidů kovů, které mají vysoký bod tání, jako jsou Ti, Cr, W, V, Mo, Ta, Zr, Nb, Hf, nebo také na bázi uhlíku.
Podstata technického řešení
Tenké a tvrdé vrstvy odolné proti opotřebení mohou být používány jako ochranné povlaky na nástroje pro obrábění dřeva. Opotřebení nejen snižuje životnost nástrojů, ale může také vést k zhoršení stavu povrchu vlastních výrobků. Během procesu řezání jsou nástroje silně zatížené termálně, mechanicky, chemicky a tribologicky. Tato omezení způsobují velmi specifické požadavky na vlastnosti povlaku nástrojů a nářadí. V tomto případě je jednou z možných cest pro řešení zmíněných problémů použití tenkých vrstev na bázi chrómu, nitridu chrómu a uhlíku.
Jednou z nej významnějších vlastností uhlíkových vrstev je velmi nízký koeficient tření, zejména v prostředí bez použití maziva. V tomto případě tenká vrstva uhlíku významně minimalizuje opotřebení. Nicméně, hlavní nevýhodou tenkých uhlíkových vrstev je často jejich relativně nízká adheze na kovových substrátech nástrojů a nářadí. Je to především zapříčiněno velmi velkým vnitřním tlakovým pnutím v těchto uhlíkových vrstvách.
Pnutí v uhlíkových vrstvách lze snížit použitím technologie depozice tzv. vícevrstvý, která zahrnuje vytvoření přechodných tenkých mezivrstev přímo na kovovém povrchu modifikovaného nástroje a následné vytvoření vnější či vrchní uhlíkové vrstvy. Zlepšení adheze uhlíkové vrstvy
-1 CZ 27493 Ul modifikovaného nástroje se dosáhne za použití dvou mezivrstev, a to jednak z chrómu a jednak z nitridu chrómu. Chrom je prvek o velmi nízké tvrdosti. V navrhovaném řešení část nežádoucích pnutí systému vícevrstev u modifikovaného nástroje je zcela vyloučena v důsledku lokální deformace materiálu měkké chromové mezivrstvy. Jako materiál pro vytvoření prvé spodní mezi5 vrstvy je použit prvek s vysokou chemickou afinitou k uhlíku. Tento prvek zajišťuje dobrou přilnavost prvé spodní mezivrstvy k povrchu substrátu modifikovaného nástroje.
Druhá mezivrstva, nanesená na prvou spodní mezivrstvu, je tzv. přechodová mezivrstva z nitridu chrómu (CrN) o stechiometrickém složení. Přechodová mezivrstva nitridu chrómu se vyznačuje poměrně vysokou tvrdostí, avšak menší, než je tvrdost uhlíkové vrstvy, a nízkými vnitřními pnulo tůni, která jsou menší než u uhlíkových vrstev. Tenká přechodová mezivrstva nitridu chrómu zajišťuje dobrou adhezi, vysokou tvrdost a také nízké opotřebení systému vrstev uspořádaných ve směru od substrátu obráběcího či řezného nástroje v pořadí Cr/CrN/DLC. V konečné závěrečné fázi je deponována vrchní uhlíková vrstva nazvaná DLC, která vzniká přidáním metanu do reakční komory. Jeho množství se postupně zvětšuje do určité míry a tímto způsobem se získává postupný přechod mezi přechodovou mezivrstvou CrN a DLC, což zajišťuje dobrou adhezi mezi těmito dvěma vrstvami.
Přechodová mezivrstva CrN je vytvořena tak, že se do reakční komory přidává dusík, jehož množství se postupně zvětšuje do určité míry. Tímto způsobem se získává postupný přechod mezi spodní mezivrstvou čistého chrómu a přechodovou mezivrstvou nitridu chrómu, což zajiš20 ťuje dobrou adhezi systému vícevrstvý Cr/CrN/DLC.
Takto vytvořený systém vícevrstvý zajišťuje silné a trvalé spojení mezi vrchní uhlíkovou vrstvou a substrátem modifikovaného nástroje. Vrchní uhlíková vrstva je zakotvena v přechodové mezivrstvě CrN, zatímco přechodová mezivrstva CrN je pevně spojena se spodní mezivrstvou čistého chrómu. Tímto se dosáhlo zlepšené adheze vytvořené ochranné nanokompozitní vícevrstvý na povrchu obráběcích a řezných nástrojů z rychlořezných ocelí.
Ochranná nanokompozitní vícevrstvá vykazuje tloušťku 1 až 2,2 pm, zatímco tloušťka chromové mezivrstvy nepřesahuje 0,2 pm a tloušťka samotné vrchní uhlíkové vrstvy nepřesahuje 1 pm.
Vrchní uhlíková vrstva zajišťuje vysokou tvrdost, odolnost proti opotřebení a nízký koeficient tření. Takto připravené nástroje a nářadí jsou charakterizované nízkým součinitelem tření. Nízký součinitel tření snižuje opotřebení nástrojů a nářadí a tím zvyšuje jejich životnost. Tato technologie zajistí i lepší užitné hodnoty vlastních výrobků.
Nástroje a nářadí z rychlořezné oceli opatřené těmito tenkými vrstvami jsou vhodné, mimo jiné, k použití jako velmi odolné řezné nástroje a nářadí pro obrábění dřeva a dřevěných kompozitů.
Přehled obrázku na výkrese
Schematicky a názorně je na obr. 1 ukázána konstrukce ochranné nanokompozitní vícevrstvý nanesené na substrátu řezného nástroje z rychlořezné oceli, přičemž vícevrstvu nejprve tvoří spodní chromová mezivrstva (Cr), na níž je umístěna přechodová mezivrstva nitridu chrómu (CrN), nesoucí vrchní vrstvu označenou (DLC) a tvořenou výhradně uhlíkem, který je zakotven v přechodové mezivrstvě nitridu chrómu.
Příklady provedení technického řešení
Podle obr. 1 je na substrátu I řezného nástroje či nářadí z rychlořezné oceli nanesena ochranná nanokompozitní vícevrstvá složená ze tří vrstev tvořených postupně ve směru od substrátu I řezného nástroje či nářadí spodní chromovou mezivrstvou Cr, na níž je nanesena přechodová mezivrstva nitridu chrómu CrN. Vrchní vrstvu DLC. v pořadí třetí vrstvu, tvoří výhradně uhlík zakotvený v přechodové mezivrstvě nitridu chrómu CrN. Tloušťka ochranné nanokompozitní vícevrstvý nanesené na nástrojích z rychlořezné oceli se pohybuje v rozmezí 1 až 2,2 pm.
-2CZ 27493 Ul
Ochranná nanokompozitní vícevrstvá je nanášena postupně a k jejímu vytvoření je využita technika stejnosměrného magnetronového naprašování a chemického usazování z plynné fáze podporovaná plazmou, vytvořenou z metanu, dusíku a argonu.
Argonové ionty, které vykonávají hlavní část procesu magnetronového naprašování, jsou také používané k aktivaci povrchu substrátu I řezného nástroje či nářadí plazmou. Při aplikaci vlastního povlakování teplota substrátu 1 řezného nástroje či nářadí nepřestoupí 300 °C a důležitým faktorem je rovněž předpětí substrátu 1 řezného nástroje, které ovlivňuje energii argonových iontů během procesu aktivace povrchu substrátu I a naprašovaných iontů chrómu z targetu magnetronové trubice během depozičního procesu. Target magnetronové trubice je vyroben z chrómu a při depozici vrstvy čistého chromuje používán jen argon. V případě depozice přechodové mezivrstvy nitridu chrómu CrN se používá argon a také dusík, který reaguje s ionty chrómu, což vede ke vzniku vrstvy nitridu chrómu. Jako zdroj uhlíku při nanášení vrchní vrstvy PLC se používá metan. V této fázi depozice systému vícevrstvý o složení Cr/CrN/DLC se do reakční komory přivádí pouze samotný metan.
Zařízení pro nanášení jednotlivých vrstev ochranné nanokompozitní vícevrstvý je postaveno na bázi RF-reaktoru, což je zdroj vysokofrekvenčního výboje a navíc se skládá z magnetronu napájeného impulsy stejnosměrného proudu. Použití tohoto hybridního depozičního systému umožňuje realizovat vytváření ochranné nanokompozitní vícevrstvý bez nutnosti přerušení procesu a otevírání reakční komory. Široký rozsah RF-generátoru, včetně zdroje energie magnetronu v kombinaci se systémem zásobování plynem, umožňuje plnou kontrolu během procesů vytváření jednotlivých vrstev, což dává možnost ovlivnit chemické složení a vlastnosti deponovaných vrstev nanášených na substrát 1 řezného nástroje. Ochranná nanokompozitní vícevrstvá se skládá ze spodní mezivrstvy chrómu Cr, přechodové mezivrstvy nitridu chrómu CrN a uhlíkové vrchní vrstvy PLC, která je zakotvena v přechodové mezivrstvě nitridu chrómu CrN.
Realizací řezných nástrojů podle technického řešení bylo prokázáno, že součinitel třem pro třecí dvojici tvořenou keramickou kuličkou (A12O3) a substrátem 1 z rychlořezné oceli opatřeným na povrchu ochrannou nanokompozitní vícevrstvou se pohybuje v závislosti na podmínkách plazmové depozice v rozsahu 0,047 až 0,17.
Dále bylo prokázáno, že nanotvrdost systému vícevrstvý tvořené Cr/CrN/DLC na povrchu substrátu I z rychlořezné oceli se pohybuje v závislosti na podmínkách plazmové depozice v rozsahu 1200 až 1800 HV.

Claims (3)

  1. NÁROKY NA OCHRANU
    1. Obráběcí a/nebo řezný nástroj z rychlořezné oceli pro opracování dřeva a dřevěných kompozitu, vyznačující se tím, že alespoň břity nástroje jsou opatřeny ochrannou nanokompozitní vícevrstvou složenou ze tří vrstev, tvořených postupně ve směru od substrátu (1) z rychlořezné oceli spodní chromovou mezivrstvou (Cr), dále přechodovou mezivrstvou nitridu chrómu (CrN), přičemž vrchní vrstvu (DLC) tvoří uhlík, zakotvený v přechodové mezivrstvě nitridu chrómu (CrN).
  2. 2. Obráběcí a/nebo řezný nástroj z rychlořezné oceli podle nároku 1, vyznačující se tím, že ochranná nanokompozitní vícevrstvá vykazuje tloušťku 1 až 2,2 pm.
  3. 3. Obráběcí a/nebo řezný nástroj z rychlořezné oceli podle nároku 1, vyznačující se tím, že tloušťka spodní chromové mezivrstvy (Cr) nepřesahuje 0,2 pm a tloušťka samotné uhlíkové vrchní vrstvy (DLC) nepřesahuje 1 pm.
CZ2014-29959U 2014-09-08 2014-09-08 Obráběcí a/nebo řezné nástroje z rychlořezné oceli pro opracování dřeva a dřevěných kompozitů CZ27493U1 (cs)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2014609 2014-09-08

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ27493U1 true CZ27493U1 (cs) 2014-11-18

Family

ID=51939050

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2014-29959U CZ27493U1 (cs) 2014-09-08 2014-09-08 Obráběcí a/nebo řezné nástroje z rychlořezné oceli pro opracování dřeva a dřevěných kompozitů

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ27493U1 (cs)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sui et al. Microstructure, mechanical and tribological characterization of CrN/DLC/Cr-DLC multilayer coating with improved adhesive wear resistance
Jianxin et al. Friction and wear behaviors of the PVD ZrN coated carbide in sliding wear tests and in machining processes
Vereschaka et al. Nano-scale multilayered composite coatings for cutting tools operating under heavy cutting conditions
Fox-Rabinovich et al. Tribological adaptability of TiAlCrN PVD coatings under high performance dry machining conditions
KR102456486B1 (ko) 다층의 아크 pvd 코팅을 갖는 공구
CN104271792B (zh) 切削工具用硬质涂层
Deng et al. Wear mechanisms of PVD ZrN coated tools in machining
Zhang et al. Sputter deposited NbCxNy films: Effect of nitrogen content on structure and mechanical and tribological properties
Long et al. Cutting performance and wear mechanism of Ti–Al–N/Al–Cr–O coated silicon nitride ceramic cutting inserts
Wang et al. Self-lubricating TiN/MoN and TiAlN/MoN nano-multilayer coatings for drilling of austenitic stainless steel
Luo et al. Tribological properties of unbalanced magnetron sputtered nano-scale multilayer coatings TiAlN/VN and TiAlCrYN deposited on plasma nitrided steels
Aditharajan et al. Recent advances and challenges associated with thin film coatings of cutting tools: a critical review
Pancielejko et al. Optimization of the deposition parameters of DLC coatings with the MCVA method
CN113981369A (zh) 多层涂层系统及其制备方法
Bobzin et al. Comparison of (Ti, Al) N and (Ti, Al) N/γ-Al2O3 coatings regarding tribological behavior and machining performance
Deng et al. Unlubricated friction and wear behaviors of ZrN coatings against hardened steel
Lümkemann et al. A new generation of PVD coatings for high-performance gear hobbing
CZ27493U1 (cs) Obráběcí a/nebo řezné nástroje z rychlořezné oceli pro opracování dřeva a dřevěných kompozitů
CN204817678U (zh) 一种金属拉伸模具
Mughal et al. Performance evaluation of nano-composite ceramic-coated high-speed steel (HSS) drills in high-speed machining
Toboła et al. Surface treatment for improving selected physical and functional properties of tools and machine parts—a review
Manokhin et al. Wear rate of PcBN cutting tools equipped with nanolayered protective coatings
CZ22536U1 (cs) Surovinová vsázka
CN101831616B (zh) 一种纳米复合钛铬硅氮化物刀具涂层及其制备方法
Lecis et al. Fatigue behavior of duplex-treated samples coated with Cr (C, N) film

Legal Events

Date Code Title Description
FG1K Utility model registered

Effective date: 20141118

MK1K Utility model expired

Effective date: 20180908