RU2167216C1 - Process of hardening of hard-alloy cutting tool - Google Patents
Process of hardening of hard-alloy cutting tool Download PDFInfo
- Publication number
- RU2167216C1 RU2167216C1 RU99120890/02A RU99120890A RU2167216C1 RU 2167216 C1 RU2167216 C1 RU 2167216C1 RU 99120890/02 A RU99120890/02 A RU 99120890/02A RU 99120890 A RU99120890 A RU 99120890A RU 2167216 C1 RU2167216 C1 RU 2167216C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ion
- hardening
- tool
- wear
- irradiation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии поверхностной упрочняющей обработки инструментальных материалов потоками заряженных частиц и предназначено для использования в инструментальной промышленности. The invention relates to the technology of surface hardening processing of tool materials by flows of charged particles and is intended for use in the tool industry.
Известен способ обработки режущего инструмента из быстрорежущих сталей (а.с. N 1549110 МПК, 6 C 23 C 14/48, БИ N 17, 1998 г.), включающий очистку и ионно-плазменное нанесение износостойкого покрытия нитрида титана, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости инструмента после нанесения покрытия, в него имплантируют ионы карбида вольфрама с энергией 40-100 кэВ и дозой 5•1016-1017 ион/см2.A known method of processing a cutting tool made of high-speed steels (a.s. N 1549110 MPK, 6 C 23 C 14/48, BI N 17, 1998), including cleaning and ion-plasma deposition of a wear-resistant coating of titanium nitride, characterized in that , in order to increase the tool durability after coating, tungsten carbide ions with an energy of 40-100 keV and a dose of 5 • 10 16 -10 17 ion / cm 2 are implanted into it.
Недостатком известного способа является наличие границы раздела покрытие-матрица, как следствие - относительно низкий уровень адгезионного взаимодействия композиции "модифицированное покрытие - основа" и связанные с этим эффекты разрушения; а также незначительная глубина имплантированного слоя. Кроме того при имплантации за счет образования высокодисперсных частиц карбидов вольфрама растет твердость покрытия, но увеличивается его хрупкость, что может служить дополнительной причиной отслаивания материала покрытия и снижения пластичности всей композиции в целом в условиях трибомеханического нагружения. A disadvantage of the known method is the presence of a coating-matrix interface, which results in a relatively low level of adhesive interaction of the “modified coating-base” composition and the associated fracture effects; as well as a small depth of the implanted layer. In addition, during implantation due to the formation of finely dispersed particles of tungsten carbides, the coating hardness increases, but its brittleness increases, which can serve as an additional reason for peeling of the coating material and a decrease in the ductility of the entire composition as a whole under tribomechanical loading.
Известен способ обработки твердосплавного режущего инструмента (Патент РФ N 2119551, МПК 6 C 23 C 14/48, БИ N 27, 1998 г.), заключающийся в том, что после имплантации ионов титана с энергией в диапазоне 25-35 кэВ и дозой в пределах 2•1017-5•1017 ион/см2 дополнительно проводят импульсное облучение мощным пучком ионов углерода и водорода с энергией 300 кэВ, плотностью тока в пределах 50-150 А/см2, дозой ионов 1014 ион/см2.A known method of processing carbide cutting tools (RF Patent N 2119551, IPC 6 C 23 C 14/48, BI N 27, 1998), which consists in the fact that after implantation of titanium ions with an energy in the range of 25-35 keV and a dose of within 2 • 10 17 -5 • 10 17 ion / cm 2 additionally carry out pulsed irradiation with a powerful beam of carbon and hydrogen ions with an energy of 300 keV, a current density in the range of 50-150 A / cm 2 , a dose of ions of 10 14 ion / cm 2 .
Достоинством способа является то, что при данном воздействии не образуются зоны контакта по типу пленка - подложка, достигается компромисс между хрупкими и пластичными свойствами твердого сплава за счет упрочнения карбидных зерен при сохранении пластичной кобальтовой прослойки. Недостатком способа является малая концентрация имплантированной примеси в поверхностных слоях твердого сплава. The advantage of the method is that under this action, contact zones of the film-substrate type are not formed, a compromise is reached between the brittle and plastic properties of the hard alloy due to the hardening of carbide grains while maintaining the plastic cobalt interlayer. The disadvantage of this method is the low concentration of the implanted impurities in the surface layers of the hard alloy.
Наиболее близким к заявляемому является способ нанесения покрытий на изделия из металлов и сплавов (а.с. N 1468017, МПК 5 C 23 C 14/48, БИ N 18, 1994 г. ), включающий ионную очистку поверхности с последующим нанесением износостойкого покрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения микротвердости и износостойкости изделия, очистку проводят облучением изделия ионным пучком с плотностью мощности более 7•106 Вт/см2, а после нанесения покрытия изделие дополнительно облучают ионным пучком с плотностью мощности (0,3-6)•106 Вт/см2, причем длительность облучения до и после нанесения покрытия выбирают равной 60-100 нс.Closest to the claimed is a method of coating products from metals and alloys (as.with. N 1468017, IPC 5 C 23 C 14/48, BI N 18, 1994), including ionic cleaning of the surface with subsequent application of a wear-resistant coating, characterized in that, in order to increase the microhardness and wear resistance of the product, the cleaning is carried out by irradiating the product with an ion beam with a power density of more than 7 • 10 6 W / cm 2 , and after coating the product is additionally irradiated with an ion beam with a power density (0.3-6 ) • June 10 W / cm 2 and the duration of exposure on and after the coating is chosen to be 60-100 ns.
Недостатком известного способа является то, что такая ионная очистка неэффективна применительно к твердым сплавам вследствие возможности увеличения значений межфазных термических напряжений под воздействием мощного ионного пучка в указанных режимах плотности мощности, приводящих к хрупкому разрушению и снижению износостойкости твердосплавного инструмента в условиях резания. Кроме того, в известном способе не предусмотрен стабилизирующий структуру и напряженное состояние поверхностных слоев модифицируемых изделий из металлов и сплавов термический отжиг, что может снизить надежность твердосплавного режущего инструмента. The disadvantage of this method is that such ion cleaning is ineffective in relation to hard alloys due to the possibility of increasing interfacial thermal stresses under the influence of a powerful ion beam in these power density modes, leading to brittle fracture and a decrease in the wear resistance of a carbide tool under cutting conditions. In addition, in the known method does not provide a stabilizing structure and stress state of the surface layers of modified products from metals and alloys, thermal annealing, which can reduce the reliability of carbide cutting tools.
Задачей настоящего изобретения является создание способа упрочнения твердосплавного режущего инструмента групп ТК и ВК, обеспечивающего повышение эффективности упрочнения инструмента за счет комплексного воздействия: термической, ионно-плазменной и ионно-лучевой обработки. The objective of the present invention is to provide a method of hardening a carbide cutting tool of the TC and VK groups, which provides an increase in the tool hardening efficiency due to the complex effect of thermal, ion-plasma and ion-beam treatment.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе упрочнения твердосплавного режущего инструмента групп ТК и ВК, включающем нанесение износостойкого покрытия с последующем облучением ионным пучком, перед нанесением покрытия осуществляют стабилизацию структуры сплава термической обработкой, а облучение производят мощным импульсным ионным пучком состава C+ и H+, с длительностью 40-70 нс, энергией 200-400 кэВ, плотностью тока ионов в пределах 50-200 А/см2, дозой ионов 1012-1014 ион/см2. При этом наносят износостойкое покрытие на основе соединений титана, например, TiN, TiC, TiAl толщиной 0,1-4 мкм методом конденсации вещества из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки (КИБ). Термическую обработку инструмента проводят в вакуумной камере при температуре ~600oC в течение 1 часа.The essence of the invention lies in the fact that in the method of hardening a carbide cutting tool of the TC and VK groups, including applying a wear-resistant coating followed by irradiation with an ion beam, the alloy structure is stabilized by heat treatment before coating, and the radiation is produced by a powerful pulsed ion beam of the composition C + and H + , with a duration of 40-70 ns, an energy of 200-400 keV, an ion current density in the range of 50-200 A / cm 2 , a dose of ions 10 12 -10 14 ion / cm 2 . In this case, a wear-resistant coating is applied based on titanium compounds, for example, TiN, TiC, TiAl with a thickness of 0.1-4 μm by the method of condensation of a substance from the plasma phase under conditions of ion bombardment (CIB). The heat treatment of the tool is carried out in a vacuum chamber at a temperature of ~ 600 o C for 1 hour.
В результате комплексной модификации, включающей предварительную термообработку, нанесение износостойкого покрытия и последующее воздействие ионным пучком, существенно повышается уровень адгезионного взаимодействия покрытия с твердосплавной матрицей за счет интенсивного перемешивания на границе раздела покрытие - основа, обеспечивается положительный градиент механических свойств за счет образования аморфного слоя у поверхности и структурных изменений на больших глубинах, в частности за счет изменения размера и формы зерен покрытия и основы по глубине. Комплексная обработка обеспечивает повышение износостойкости твердосплавного режущего инструмента при точении конструкционных сталей. As a result of a complex modification, including preliminary heat treatment, deposition of a wear-resistant coating and subsequent exposure to an ion beam, the adhesion interaction of the coating with the carbide matrix is significantly increased due to intensive mixing at the coating-base interface, a positive gradient of mechanical properties is ensured due to the formation of an amorphous layer at the surface and structural changes at great depths, in particular due to changes in grain size and shape tions and depth foundations. Integrated processing provides increased wear resistance of carbide cutting tools when turning structural steels.
Указанный технический результат достигается за счет комплексной модификации, включающей предварительный отжиг, нанесение износостойкого покрытия и последующую обработку мощным ионным пучком. При этом посредством предварительной термообработки осуществляется стабилизация структуры твердого сплава за счет релаксации термических межфазных напряжений, возникающих в твердых сплавах при их спекании, а также для исключения суммирования остаточных напряжений с напряжениями, возникающими в материале при последующей ионно-лучевой термической закалке. Благодаря использованию мощного ионного пучка осуществляется перемешивание компонентов материала покрытия и основы вблизи границы их раздела, образование композиции тугоплавких элементов и соединений, а также их проникновение в материал основы. Кроме того, ионный пучок данной плотности тока и энергии ионов инициирует образование аморфного слоя на поверхности покрытия. Плотность ионного тока и количество импульсов выбирают таким образом, чтобы исключить полное распыление нанесенного покрытия и предохранить твердосплавную основу от эффектов эрозии, приводящих к образованию микрократеров на основе. The specified technical result is achieved due to complex modifications, including preliminary annealing, applying a wear-resistant coating and subsequent processing with a powerful ion beam. In this case, through the preliminary heat treatment, the structure of the hard alloy is stabilized due to the relaxation of thermal interfacial stresses arising in the hard alloys during their sintering, as well as to exclude the summation of the residual stresses with the stresses that arise in the material during subsequent ion-beam thermal quenching. Thanks to the use of a powerful ion beam, the components of the coating material and the base are mixed near their interface, the composition of refractory elements and compounds is formed, as well as their penetration into the base material. In addition, an ion beam of a given current density and ion energy initiates the formation of an amorphous layer on the coating surface. The ion current density and the number of pulses are selected in such a way as to exclude the complete spraying of the applied coating and to protect the carbide base from the effects of erosion, leading to the formation of microcraters on the base.
Повышение износостойкости твердосплавного инструмента достигается за счет комплекса факторов: 1) формирования высокопрочных поверхностных слоев, подвергнутых импульсной ионно-лучевой термической закалке; 2) перемешивания на границе раздела покрытие - основа с образованием композиции тугоплавких элементов и их соединений, способствующих упрочнению и самой твердосплавной основы; 3) реализации положительного градиента механических свойств, когда на поверхности твердого тела (в данном случае твердого сплава) наличествует более пластический слой (в данном случае это аморфный слой на поверхности износостойкого покрытия), в котором локализуются сдвиговые деформации, возникающие при трении в условиях резания. An increase in the wear resistance of a carbide tool is achieved due to a complex of factors: 1) the formation of high-strength surface layers subjected to pulsed ion-beam thermal hardening; 2) mixing at the coating-base interface with the formation of a composition of refractory elements and their compounds that contribute to hardening of the carbide base itself; 3) the realization of a positive gradient of mechanical properties when a more plastic layer is present on the surface of a solid body (in this case, a hard alloy) (in this case, it is an amorphous layer on the surface of a wear-resistant coating), in which shear deformations arising from friction under cutting conditions are localized.
Для реализации заявляемого способа упрочнения особое значение имеют выбор толщины и состава покрытия, что обусловлено возможностью твердорастворного упрочнения твердосплавной матрицы за счет эффективного перемешивания элементов покрытия и компонентов твердого сплава, а также генерация динамических напряжений, способствующих деформационному упрочнению приповерхностных слоев матрицы. Наиболее эффективными оказались покрытия состава TiN, TiC, TiAl толщиной 0,1-4 мкм. For the implementation of the proposed method of hardening, the choice of coating thickness and composition is of particular importance, which is due to the possibility of solid solution hardening of the carbide matrix due to efficient mixing of the coating elements and hard alloy components, as well as the generation of dynamic stresses that contribute to the strain hardening of the surface layers of the matrix. The most effective coatings were TiN, TiC, TiAl with a thickness of 0.1-4 microns.
Способ поясняется графиками, приведенными на фиг. 1-2, где на фиг. 1 представлена зависимость скорости изнашивания режущих пластин, подвергнутых ионно-лучевой и комплексной обработке при резании стали 40Х, а на фиг. 2. представлены микрофотографии и микроэлектроннограммы структуры износостойкого покрытия после облучения мощным ионным пучком с плотностью тока j=150 А/см2, полученные при помощи просвечивающей электронной микроскопии. На фиг. 1 представлена зависимость скорости изнашивания модифицированных инструментов из Т15К6 при резании стали 40Х; скорость резания v = 200 м/мин; S = 0,07 мм/об; t = 1 мм, где позицией 1 обозначена зависимость скорости изнашивания необработанного сплава Т15К6; позицией 2 - модифицированного мощным импульсным ионным пучком (МИП) при плотности тока j = 50 А/см2 сплава Т15К6; позицией 3 - модифицированного МИП при плотности тока j = 100 А/см2 сплава Т15К6; позицией 4 - модифицированного МИП при плотности тока j=150 А/см2 сплава Т15К6; позицией 5 - модифицированного комплексной обработкой КИБ+МИП при плотности тока j=50 А/см2 сплава Т15К6; позицией 6 - модифицированного комплексной обработкой КИБ+МИП при плотности тока j = 100 А/см2 сплава Т15К6; позицией 7 - модифицированного комплексной обработкой КИБ+МИП при плотности тока j = 150 А/см2 сплава Т15К6. На фиг. 2 изображение "а" показывает образование аморфного слоя на поверхности покрытия; изображение "б" - приповерхностный слой, Х200000; изображение "в, г, д" - промежуточный слой, X180000; изображение "г" - темно-польное изображение в рефлексе (110) Ti2N.The method is illustrated by the graphs shown in FIG. 1-2, where in FIG. 1 shows the dependence of the wear rate of cutting inserts subjected to ion-beam and complex processing when cutting 40X steel, and in FIG. 2. Micrographs and microelectron diffraction patterns of the structure of a wear-resistant coating after irradiation with a powerful ion beam with a current density j = 150 A / cm 2 obtained by transmission electron microscopy are presented. In FIG. 1 shows the dependence of the wear rate of modified tools from T15K6 when cutting steel 40X; cutting speed v = 200 m / min; S = 0.07 mm / rev; t = 1 mm, where 1 denotes the dependence of the wear rate of the untreated alloy T15K6; position 2 - modified alloy T15K6 modified by a powerful pulsed ion beam (MIP) at a current density j = 50 A / cm 2 ; position 3 - modified MIP at a current density j = 100 A / cm 2 alloy T15K6; position 4 - modified MIP at a current density j = 150 A / cm 2 alloy T15K6; position 5 - modified by complex processing of CIB + MIP at a current density j = 50 A / cm 2 alloy T15K6; position 6 - modified by complex processing of CIB + MIP at a current density j = 100 A / cm 2 alloy T15K6; position 7 - modified by complex processing KIB + MIP at a current density j = 150 A / cm 2 alloy T15K6. In FIG. 2, image "a" shows the formation of an amorphous layer on the surface of the coating; image "b" - near-surface layer, X200000; image "c, d, d" - an intermediate layer, X180000; image "g" - dark-field image in the reflection (110) Ti 2 N.
Способ обработки режущего инструмента осуществлялся следующим образом:
Пример. Режущие пластины из сплава Т15К6 помещали в вакуумную термическую печь. Затем проводили термический отжиг твердосплавных пластин при температуре 600oC в течение 1 часа. После отжига пластины помещали в рабочую камеру установки ННВ-6 и наносили покрытие состава TiN. Напряжение на подложке составляло 300 В, ток на катоде был равен 120А. Ионно-плазменную обработку проводили в течение 30 минут. Затем режущие пластины устанавливали в приспособление, находящееся в вакуумной камере технологического ускорителя "Темп", и облучали мощным импульсным ионным пучком состава C+ и H+ с длительностью 50 нс, энергией 300 кэВ и плотностью тока 50-150 А/см2.The processing method of the cutting tool was carried out as follows:
Example. T15K6 alloy cutting inserts were placed in a vacuum thermal furnace. Then carried out thermal annealing of carbide plates at a temperature of 600 o C for 1 hour. After annealing, the plates were placed in the working chamber of the NNV-6 installation and a TiN composition was coated. The voltage on the substrate was 300 V, the current on the cathode was 120A. Ion-plasma treatment was carried out for 30 minutes. Then, the cutting inserts were installed in a device located in the vacuum chamber of the Temp technological accelerator and irradiated with a powerful pulsed ion beam of the composition C + and H + with a duration of 50 ns, an energy of 300 keV, and a current density of 50-150 A / cm 2 .
Модифицированные твердосплавные пластины испытывали в условиях продольного точения стали 40Х при скоростях резания 55-300 м/мин. Подача принималась равной 0,07 мм/об. Глубина резания составляла 1 мм. Износостойкость пластин, подвергнутых комплексной обработке, оценивалась в сравнении с режущими пластинами в исходном состоянии и после облучения мощным ионным пучком. При построении зависимостей контролировалась фаска износа по задней поверхности инструмента. Как видно из фиг. 1, комплексная обработка на оптимальных режимах (позиция 7) обеспечивает повышение износостойкости режущего инструмента при точении стали 40х в 2 раза. При использовании режущих пластин из сплава группы ВК и при нанесении покрытий состава TiC и TiAl режимы упрочняющей обработки инструментального материала аналогичны приведенным в примере. Modified carbide inserts were tested under the conditions of longitudinal turning of 40X steel at cutting speeds of 55-300 m / min. The feed was taken equal to 0.07 mm / rev. The cutting depth was 1 mm. The wear resistance of the plates subjected to complex processing was evaluated in comparison with the cutting inserts in the initial state and after irradiation with a powerful ion beam. When building dependencies, the wear chamfer along the back surface of the tool was controlled. As can be seen from FIG. 1, complex processing at optimal conditions (item 7) provides an increase in the wear resistance of a cutting tool when turning steel 40x by 2 times. When using cutting inserts from an alloy of the VK group and when applying TiC and TiAl coatings, the modes of hardening processing of tool material are similar to those given in the example.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99120890/02A RU2167216C1 (en) | 1999-10-05 | 1999-10-05 | Process of hardening of hard-alloy cutting tool |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99120890/02A RU2167216C1 (en) | 1999-10-05 | 1999-10-05 | Process of hardening of hard-alloy cutting tool |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2167216C1 true RU2167216C1 (en) | 2001-05-20 |
Family
ID=20225475
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99120890/02A RU2167216C1 (en) | 1999-10-05 | 1999-10-05 | Process of hardening of hard-alloy cutting tool |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2167216C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA016700B1 (en) * | 2008-01-22 | 2012-06-29 | Государственное Научное Учреждение "Физико-Технический Институт Национальной Академии Наук Беларуси" | Method of ion-plasma processing of parts and tool made of carbon and doped alloys |
| RU2514438C2 (en) * | 2008-11-26 | 2014-04-27 | Чайна Петролеум Энд Кемикал Корпорейшн | Metal-loaded catalyst and method for preparation thereof |
| RU2648810C2 (en) * | 2016-06-16 | 2018-03-28 | Акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Method for manufacturing parts of titanium alloys |
-
1999
- 1999-10-05 RU RU99120890/02A patent/RU2167216C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA016700B1 (en) * | 2008-01-22 | 2012-06-29 | Государственное Научное Учреждение "Физико-Технический Институт Национальной Академии Наук Беларуси" | Method of ion-plasma processing of parts and tool made of carbon and doped alloys |
| RU2514438C2 (en) * | 2008-11-26 | 2014-04-27 | Чайна Петролеум Энд Кемикал Корпорейшн | Metal-loaded catalyst and method for preparation thereof |
| RU2648810C2 (en) * | 2016-06-16 | 2018-03-28 | Акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Method for manufacturing parts of titanium alloys |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3915757A (en) | Ion plating method and product therefrom | |
| Rej et al. | Materials processing with intense pulsed ion beams | |
| US4629631A (en) | Surface treatment of metals | |
| Piekoszewski et al. | Application of high intensity pulsed ion and plasma beams in modification of materials | |
| Collins et al. | Advanced surface treatments by plasma ion implantation | |
| Sharkeev et al. | Modification of metallic materials and hard coatings using metal ion implantation | |
| Rotshtein et al. | Synthesis of Ti 3 Al and TiAl based surface alloys by pulsed electron-beam melting of Al (film)/Ti (substrate) system | |
| Grigor’ev et al. | Complex surface modification of carbide tool by Nb+ Hf+ Ti alloying followed by hardfacing (Ti+ Al) N | |
| Bondar et al. | Composition, structure and tribotechnical properties of TiN, MoN single-layer and TiN/MoN multilayer coatings | |
| Oskolkova et al. | Wear-resistant coatings on WC–Co hard alloys synthesized by concentrated energy flows | |
| RU2167216C1 (en) | Process of hardening of hard-alloy cutting tool | |
| US3953178A (en) | Coated metal product | |
| Fedorov et al. | Comprehensive surface treatment of high-speed steel tool | |
| Grant et al. | Ion beam techniques for material modification | |
| RU2694857C1 (en) | Method of applying wear-resistant coating by ion-plasma method | |
| Fedorov et al. | Special features of electron-beam alloying of replaceable polyhedral hard-alloy plates under a complex surface treatment | |
| RU2634400C1 (en) | Method of ion nitriding of cutting tool made of alloyed steel | |
| Struts et al. | Formation of protective coatings on metals by intense pulsed ion beam | |
| Mikhalev et al. | Structure, morphology, and elemental-phase composition of j02002 steel as a result of electrolytic-plasma processing | |
| Dearnaley | The ion implantation of metals and engineering materials | |
| Nikitenkov et al. | Pulsed plasma-immersion ion implantation of aluminum into VT1-0 titanium | |
| JPS61195971A (en) | Formation of wear resisting film | |
| RU2119551C1 (en) | Method for treatment of hard-alloy cutting tools | |
| Remnev et al. | Practical applications of high-power ion beams | |
| Poleshchenko et al. | Characteristic properties of Ion-vacuum nanostructured topocomposites with cluster-gradient architecture |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20041006 |