RU107496U1 - Метчик с износостойким покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода - Google Patents

Abstract

Метчик с износостойким покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода на рабочей части с твердостью 70-100 ГПа, толщина которого составляет 1-3 мкм с расположенным под ним промежуточным адгезионным слоем толщиной не более 0,1 толщины покрытия, выполненным из титана или его соединений с углеродом, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода с твердостью 30-50 ГПа толщиной 0,3-0,5 мкм, расположенным поверх основного покрытия.

Description

Полезная модель относится к области металлообработки, а именно, к метчикам для нарезания резьбы в отверстиях разного типа

В настоящее время существует большое количество метчиков различных конструкций для нарезания резьбы в деталях, изготовленных из разных материалов.

Основными факторами, определяющими долговечность работы метчика, являются:

1. Износ и затупление режущей кромки зубьев метчика вследствие недостаточной твердости (не более 10 ГПа для инструментальной стали и 20ГПа для твердых сплавов на основе карбида вольфрама) инструментальной основы рабочей части метчика.

2. Прослабление размеров резьбы и нарушение калибровки отверстий при нарезании метчиком с изношенной калибровочной частью.

3. Налипание и затрудненный выход стружки вследствие больших коэффициентов трения (~0,3) по отводящим канавкам при нарезании резьбы в изделиях, изготовленных из мягких и вязких металлов, что зачастую приводит к поломке метчика на обратном ходе (выворачивании) при нарезке резьбы в глухих резьбовых отверстиях, вследствие чего происходит брак всей обрабатываемой детали.

В зависимости от обрабатываемого материла детали, геометрических параметров резьбы и типа отверстий существуют и продолжают разрабатываться различные конструкции метчиков с целью повышения долговечности их работы в оптимальных режимах [Патенты РФ 2103123, 2179095, 2192335, 2246382, 2229965, 2334602. Свидетельство РФ на полезную модель 52528].

Основными общими недостатками этих метчиков, являются недостаточно высокие механические и трибологические характеристики основного материала метчика, что приводит к снижению долговечности их работы.

Увеличение рабочего ресурса метчика любой конструкции может быть достигнуто повышением твердости поверхности рабочей части метчика и уменьшением усилия трения, как в зоне резания, так и в зоне проскальзывания стружки по отводящим канавкам. Повышение твердости поверхности достигается нанесением специальных покрытий на поверхность рабочей части метчика.

Наиболее часто для увеличения долговечности работы режущего инструмента и, в частности, метчиков используются многослойные износостойкие покрытия из нитрида титана и циркония [патенты РФ 2061090, 2361013, 2270270] при различном чередовании наносимых слоев.

Основными недостатками таких покрытий на метчиках является их недостаточно высокая твердость (25-30 ГПа) и невысокая адгезия покрытия к поверхности материала рабочей части метчика.

Известны метчики с износостойкими покрытиями [Д.Локтева, Е.Ямашкина «Основные виды износостойких покрытий», Наноиндустрия, 2007, №5, с.24-30].

В таблице 1 приведены типы покрытий, их твердость и коэффициенты трения, рекомендуемые в этой работе для повышения ресурса работы метчиков.

Таблица 1.
Обрабатываемый материал	Покрытие	Микротвердость, ГПа	Коэффициент трения
Сталь	TiCN+MoS2	32	0,15
	TiAlCN+аморфный углерод	28	0,15
Чугун	TiAlCN	35	0,5

	TiCN (многослойное)	28	0,6
Алюминий (>12%)	TiAlCN+аморфный углерод	28	0,15
	TiCN (многослойное)	28	0,6
Алюминий (<12%)	Сr2N+аморфный углерод	20	0,15
	TiCN (многослойное)	28	0,6
Суперсплавы (Ni, Ti)	TiAlCN+аморфный углерод	28	0,15
	TiCN+MoS2	32	0,15
Медь	CrN	18	0,3
Бронза, латунь	TiCN	37	0,2
	TiCN (многослойное)	28	0,6
Пластик	TiCN (многослойное)	28	0,6
	TiAlCN	35	0,5

Как видно из таблицы 1, рекомендуемые покрытия обладают твердостью в диапазоне (20-40) ГПа и достаточно большими коэффициентами трения от (0,15 до 0,6). Самое низкое значение коэффициента трения (0,15) обеспечивает присутствие на поверхности покрытия аморфного углерода. Так в метчике с TiAlCN+аморфный углерод износостойким покрытием на его рабочей части толщиной 1-7 мкм, применяемым для обработки стали, основным покрытием является карбонитрид титана и алюминия, на которое наносится слой аморфного углерода толщиной до 1 мкм.

Данное покрытие имеет твердость 28 ГПа и коэффициент трения 0,15, что способствует повышению ресурса работы этого метчика при нарезании резьбы.

Но данное покрытие не обеспечивает этому метчику необходимого ресурса работы из-за недостаточней твердости покрытия особенно при нарезании резьбы в глухих отверстиях деталей, изготовленных из твердых и вязких сталей (Ст. 38ХС, Ст. 20Х2Н24А, Ст. 20Х2Н4А и др.). Недостаточная твердость покрытия приводит к преждевременному износу режущих кромок метчика и к ухудшению качества резьбы в обрабатываемых деталях (изменению размеров и профиля резьбы, образованию раковин и повышению шероховатости поверхности резьбы). Возрастает нагрузка на материал и, как следствие, его поломка, особенно при обратном ходе при нарезании резьбы в глухих отверстиях.

Наиболее близким к заявляемому является метчик с износостойким покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода на рабочей части, толщина которого составляет 1-3 мкм с расположенным под ним промежуточным адгезионным слоем толщиной не более 0,1 толщины покрытия, выполненным из титана или его соединений с углеродом [Патент РФ 93716].

Износостойкое покрытие из твердого аморфного алмазоподобного углерода толщиной 1-3 мкм обеспечило упрочнение поверхности рабочей части метчика за счет увеличения твердости его поверхности до 70-100 ГПа.

Наличие промежуточного адгезионного слоя толщиной 0,1-0,3 мкм выполненного из титана или его соединений с углеродом обеспечило наилучшее химическое взаимодействие (адгезию), этого слоя как с основным материалом метчика - инструментальной сталью, так и с покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода.

Однако метчики с таким покрытием обладают определенными недостатками, обусловленными структурой и морфологией поверхности твердого углеродного покрытия.

Известно, что наиболее твердые алмазоподобные покрытия (Н_V~100 ГПа) получают вакуумным дуговым распылением графита при энергии конденсирующихся ионов углерода около 1000 эВ. Такие покрытия неизбежно (в силу физического механизма их образования, т.н. «внутренней имплантации») обладают большими (~10 ГПа) внутренними напряжениями. Большие внутренние напряжения в покрытии не только препятствуют его надежной адгезии к подложке, но и стимулируют рост высоких по сравнению с толщиной покрытия (1-3 мкм) пирамидальных выступов на поверхности пленки, ухудшающих трибологические свойства покрытия. Этот рельеф, (шероховатость покрытия) обуславливает высокие (до 0,3-0,4) значения начальных коэффициентов трения, вследствие чего увеличивается время приработки покрытия.

Большие внутренние напряжения являются причиной снижения износостойкости из-за появления трещин в покрытии и его отслаивания от поверхности подложки. Таким образом, особенности покрытия из твердого аморфного алмазоподобного углерода ограничивают ресурс работы метчика с таким покрытием.

В основу полезной модели положена задача повышения ресурса работы метчика путем снижения силы трения при выполнении отверстий за счет уменьшения рельефа поверхности и снижения внутренних напряжений в покрытии.

Поставленная задача решается тем, что метчик с износостойким покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода на рабочей части с твердостью 70-100 ГПа, толщина которого составляет 1-3 мкм с расположенным под ним промежуточным адгезионным слоем толщиной не более 0,1 толщины покрытия, выполненным из титана или его соединений с углеродом, согласно полезной модели, снабжен дополнительным покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода, с твердостью 30-50 ГПа, толщиной 0,3 мкм - 0,5 мкм, полученным методом деструкции углеводородов в аргон-ацетиленовой плазме, расположенным поверх основного покрытия.

Выполнение покрытия метчика из двух слоев твердого аморфного алмазоподобного углерода различной твердости, первый из которых имеет твердость 70-100 ГПа, а нанесенный на него - твердость в пределах 30-50 ГПа, позволило повысить рабочий ресурс метчика с двухслойным покрытием по сравнению с метчиком с однослойным углеродным покрытием более чем в 2 раза.

Этот эффект достигается наличием на слое твердого аморфного алмазоподобного углерода с твердостью 70-100 ГПа дополнительного покрытия из аморфного алмазоподобного углерода, с твердостью в пределах 30-50 ГПа и толщиной 0,3 мкм - 0,5 мкм м, полученного методом деструкции углеводородов и обладающего более низкими коэффициентами трения, чем более твердое покрытие, получаемое вакуумно-дуговым импульсным распылением графита.

Уменьшение шероховатости поверхности такого двухслойного покрытия, состоящего из углеродной пленки, получаемой разными методами осаждения, и тем самым снижение значения начальных коэффициентов трения позволяет существенно уменьшить время, необходимое для приработки метчика с покрытием.

Заявляемое двухслойное покрытие было нанесено на рабочую поверхность метчиков на установке УВНИИПА-1-001, в камере которой размещена система для создания углеводородной плазмы. Установка позволяет в одном вакуумном цикле проводить ионную очистку поверхностей напыляемых метчиков, напыление металла и карбида этого металла и нанесение углеродного покрытия двумя различными методами: деструкцией углеводородного газа (патент РФ №2382116) и импульсно-дуговым распылением графитовой мишени.

Ресурс метчиков различного типа с таким покрытием был определен в условиях реального производственного процесса на Уральском заводе транспортного машиностроения (ОАО «Уралтрансмаш») при нарезании резьбы в отверстиях деталей (материал - сталь 38ХС (ГОСТ 4543-51) метчиками диаметром 6 мм на радиально-сверлильном станке 2А554.

Стойкость метчика с заявляемым двухслойным покрытием из твердого алмазоподобного углерода оказалась в 2 раза больше по сравнению с метчиком с однослойным покрытием и более, чем в 5 раз выше, чем стойкость метчика без покрытия.

Таким образом, изложенные выше сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:

- метчик с двухслойным твердым износостойким покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода может быть использован в области металлообработки;

- наличие двухслойного описанного выше покрытия обеспечивает повышение рабочего ресурса метчика

Claims (1)

1. Метчик с износостойким покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода на рабочей части с твердостью 70-100 ГПа, толщина которого составляет 1-3 мкм с расположенным под ним промежуточным адгезионным слоем толщиной не более 0,1 толщины покрытия, выполненным из титана или его соединений с углеродом, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода с твердостью 30-50 ГПа толщиной 0,3-0,5 мкм, расположенным поверх основного покрытия.