RU2751608C1

RU2751608C1 - Method for modifying surface layer of cutting plates made of tool ceramics intended for turning nickel alloys

Info

Publication number: RU2751608C1
Application number: RU2020132869A
Authority: RU
Inventors: Марина Александровна Волосова
Priority date: 2020-10-06
Filing date: 2020-10-06
Publication date: 2021-07-15

Abstract

FIELD: mechanical engineering.SUBSTANCE: invention relates to mechanical engineering, it can be used at the final stage of manufacturing cutting ceramic plates made of aluminum-silicon oxynitride to ensure their increased wear resistance during turning of heat-resistant nickel alloys used in the aviation industry. The method involves the precipitation on the contact surfaces of the plate of a two-layer diamond-like coating consisting of an adhesive sublayer (CrAlSi)N with a thickness of 2.5 mcm, formed by vacuum-arc evaporation of Cr and AlSi cathodes in a gas mixture of nitrogen and argon, and an outer diamond-like layer with a thickness of 2.5 mcm, formed by plasma-chemical gas-phase precipitation in a glow discharge plasma by chemical reaction and decomposition of the components of the gas mixture of acetylene C2H2, argon Ar and tetramethylsilane Si(CH3)4. After that, by means of selective melting and evaporation of the front surface sections, a micro-relief is formed in the form of a group of micro-holes of given sizes, designed to accommodate and retain a lubricant based on molybdenum disulfide.EFFECT: wear resistance of the cutting plates is increased when processing with increased feed rates and the surface roughness of the workpiece is reduced.1 cl, 1 tbl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к механической обработке авиационных материалов, и предназначено для повышения износостойкости и надежности инструмента из керамики на основе оксинитрида алюминия-кремния (SiAlON) и улучшения качества поверхности обрабатываемых деталей при токарной обработке жаропрочных сплавов системы «никель-хром-железо» с увеличенной подачей за счет модификации поверхностного слоя режущих пластин, заключающейся в нанесении на контактные поверхности алмазоподобных покрытий вакуумно-дуговым и плазмохимическим газофазным осаждением и последующем селективном лазерном плавлении и испарении участков передней поверхности для получения группы микролунок, в которых может размещаться и удерживаться в процессе резания консистентная смазка на основе дисульфида молибдена.The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to the machining of aviation materials, and is intended to increase the wear resistance and reliability of a tool made of ceramics based on aluminum-silicon oxynitride (SiAlON) and improve the surface quality of workpieces during turning of high-temperature alloys of the nickel-chromium system. iron "with increased feed due to modification of the surface layer of cutting inserts, which consists in applying diamond-like coatings to the contact surfaces by vacuum-arc and plasma-chemical gas-phase deposition and subsequent selective laser melting and evaporation of the front surface areas to obtain a group of microwells, in which it can be placed and held in molybdenum disulfide grease during cutting.

Инструментальная керамика на основе оксинитрида алюминия-кремния является оптимальным материалом для решения технологических задач, связанных с высокопроизводительной обработкой жаропрочных дисперсионно твердеющих никелевых сплавов с интерметаллидным упрочнением на основе системы «никель-хром-железо», широко используемых в промышленности для изготовления высоконагруженных элементов силовых конструкций и других деталей ГТД (например, сплав ХН45МВТЮБР). Улучшенные эксплуатационные свойства никелевых сплавов существенно осложняют их токарную обработку из-за увеличенных теплосиловых нагрузок и активно протекающих физико-химических процессов в зонах контакта задней поверхности с обрабатываемой заготовкой и передней поверхности со сходящей стружкой (по сравнению со статью 45 такие сплавы имеют коэффициент обрабатываемости 0,2). Отмеченное резко интенсифицирует процессы изнашивания в виде кратеров на задней поверхности инструмента, а при увеличении подачи - активного лункообразования на передней поверхности, которые увеличивают риск последующего хрупкого разрушения режущей части керамической пластины в виде микросколов и ее непрогнозируемого отказа. Из-за этого предприятия, эксплуатирующие режущие пластины из керамики, вынуждены значительно занижать режимы резания, чтобы снизить вероятность их хрупкого разрушения. Кроме того, в процессе точения обрабатываемый никелевый сплав активно налипает на контактные площадки инструмента, что заметно снижает качество поверхности обработанной детали. Поэтому разрабатываются и внедряются разнообразные технологические процессы модификации поверхностного слоя, направленные на снижение интенсивности процессов адгезионного схватывания и трения на контактных площадках и обеспечение повышенной износостойкости пластин из инструментальной керамики в процессе обработки жаропрочных никелевых сплавов.Tool ceramics based on aluminum-silicon oxynitride is the optimal material for solving technological problems associated with high-performance processing of heat-resistant precipitation-hardening nickel alloys with intermetallic hardening based on the nickel-chromium-iron system, which are widely used in industry for the manufacture of highly loaded elements of load-bearing structures and other parts of the gas turbine engine (for example, alloy KhN45MVTYUBR). The improved operational properties of nickel alloys significantly complicate their turning due to increased heat-power loads and actively occurring physical and chemical processes in the contact zones of the rear surface with the workpiece being processed and the front surface with descending chips (compared to article 45, such alloys have a machinability coefficient of 0, 2). The noted sharply intensifies wear processes in the form of craters on the rear surface of the tool, and with an increase in feed, active crater formation on the front surface, which increase the risk of subsequent brittle fracture of the cutting part of the ceramic plate in the form of micro-chips and its unpredictable failure. Because of this, enterprises operating cutting inserts made of ceramics are forced to significantly underestimate the cutting conditions in order to reduce the likelihood of their brittle fracture. In addition, in the process of turning, the processed nickel alloy actively adheres to the contact pads of the tool, which significantly reduces the surface quality of the machined part. Therefore, various technological processes for modifying the surface layer are being developed and implemented, aimed at reducing the intensity of the processes of adhesive setting and friction at the contact pads and ensuring increased wear resistance of plates made of tool ceramics in the process of processing heat-resistant nickel alloys.

Техническим решением, показывающим хорошие результаты, является модификация поверхностного слоя за счет нанесения алмазоподобных покрытий толщиной до 5 мкм, которые способны повысить микротвердость контактных площадок керамических пластин до 40 ГПа и снизить коэффициент трения до 0,1 в сравнении с исходным керамическим материалом. Алмазоподобное покрытие выполняет роль твердой смазки и функционирует как промежуточный слой между обрабатываемой заготовкой и керамической пластиной, частично изолирующий их друг от друга, обеспечивая более стабильную работу керамических пластин с покрытиями по сравнению с инструментом без покрытий. Однако такой подход обеспечивает значимый эффект, главным образом, при токарной обработке высокотвердых материалов (например, закаленных сталей) в случае формирования стружки надлома, которая при контакте с передней поверхностью не способствует интенсификации процессов трения, адгезионного схватывания и ее быстрому изнашиванию, а потеря работоспособности керамической пластины происходит из-за достижения размерного износа по задней поверхности предельного значения. В случае токарной обработки жаропрочных никелевых сплавов, особенно при подачах более 0,3 мм/об, повышенные теплосиловые нагрузки и формирующаяся псевдосливная или циклическая стружка при контакте с передней поверхностью, резко интенсифицируют процессы трения и адгезионного схватывания, в результате чего тонкое алмазоподобное покрытие стремительно истирается на передней поверхности, не препятствует налипам обрабатываемого материала и практически не уменьшает длину контакта стружки с передней поверхностью, что приводит к ее интенсивному изнашиванию в виде лунки и отдельных кратеров, которые с увеличением времени резания приближаются к режущей кромке и в конечном итоге зачастую приводят к ее микросколам. Таким образом, в дополнении к нанесению алмазоподобного покрытия необходимо использование новых технических решений, направленных на снижение интенсивности изнашивания передней поверхности при токарной обработке жаропрочных никелевых сплавов с увеличенной подачей.A technical solution showing good results is the modification of the surface layer by applying diamond-like coatings up to 5 μm thick, which can increase the microhardness of the contact pads of ceramic plates to 40 GPa and reduce the friction coefficient to 0.1 in comparison with the original ceramic material. The diamond-like coating acts as a solid lubricant and functions as an intermediate layer between the workpiece and the ceramic plate, partially isolating them from each other, providing more stable operation of coated ceramic plates compared to uncoated tools. However, this approach provides a significant effect, mainly in turning of high-hard materials (for example, hardened steels) in the case of the formation of fracture chips, which, when in contact with the front surface, do not contribute to the intensification of friction processes, adhesive seizure and its rapid wear, and the loss of performance of ceramic plate is due to the achievement of dimensional wear on the flank surface of the limiting value. In the case of turning heat-resistant nickel alloys, especially at feed rates of more than 0.3 mm / rev, increased heat and power loads and the forming pseudo-draining or cyclic chips in contact with the front surface sharply intensify the processes of friction and adhesion setting, as a result of which the thin diamond-like coating is rapidly abraded on the front surface, does not prevent adhesion of the processed material and practically does not reduce the length of contact of the chips with the front surface, which leads to its intense wear in the form of a hole and individual craters, which, with an increase in cutting time, approach the cutting edge and ultimately often lead to it micro-chips. Thus, in addition to the application of a diamond-like coating, it is necessary to use new technical solutions aimed at reducing the wear rate of the front surface during turning of heat-resistant nickel alloys with increased feed.

Известно, что при использовании керамических пластин из-за высокой чувствительности инструментального материала к резким температурным колебаниям (тепловым ударам) во избежание появления термических трещин рекомендуется обработка без СОЖ. Исключение составляют некоторые виды керамики на основе оксинитрида алюминия-кремния (SiAlON), но для такого инструмента необходимо обеспечить обильную и непрерывную подачу СОЖ, которые оказывают негативное воздействие на обсуживающий персонал и окружающую среду, требуют больших затрат для утилизации. Кроме того, интенсивное охлаждение поверхности обрабатываемой детали зачастую приводит к возникновению внутренних напряжений растяжения, снижающих эксплуатационные свойства изделия. Исключить эти проблемы возможно применением консистентных (пластичных) высокотемпературных смазок, например, на основе дисульфида молибдена, однако при токарной обработке жаропрочных никелевых сплавов с увеличенной подачей смазка быстро удаляется с передней поверхности сходящей стружкой. То есть эффект от применения консистентной смазки может быть получен только в случае обеспечения ее постоянного наличия на поверхности керамической пластины.It is known that when using ceramic plates, due to the high sensitivity of the tool material to sharp temperature fluctuations (thermal shock), in order to avoid the appearance of thermal cracks, processing without coolant is recommended. The exception is some types of ceramics based on silicon aluminum oxide nitride (SiAlON), but for such a tool it is necessary to provide an abundant and continuous supply of coolant, which have a negative impact on the operating personnel and the environment, and are expensive to dispose of. In addition, intensive cooling of the surface of the workpiece often leads to the appearance of internal tensile stresses, which reduce the performance properties of the product. It is possible to eliminate these problems by using grease (plastic) high-temperature lubricants, for example, based on molybdenum disulfide, however, when turning heat-resistant nickel alloys with an increased feed, the lubricant is quickly removed from the front surface by descending chips. That is, the effect of using a grease can only be obtained if it is constantly present on the surface of the ceramic plate.

Перспективным технологическим решением, посредством которого можно достичь указанной цели, является лазерная модификация поверхностного слоя, основанная на селективном плавлении и испарении микроучастков керамической пластины для получения специфического рельефа (лунок, канавок и др.). Функциональным назначением углублений на передней поверхности является выполнение роли микрорезервуаров для размещения консистентной смазки, которые предотвращают ее унос сходящей стружкой и надежно удерживают на контактной площадке длительное время, что обеспечивает значительное снижение интенсивности процессов трения и адгезионного схватывания стружки с передней поверхностью инструмента. Кроме того, отмеченное изменение характера контактного взаимодействия стружки с передней поверхности позволяет предотвратить преждевременное истирание предварительно сформированного алмазоподобного покрытия и обеспечить выполнение им своих функций продолжительное время при токарной обработке жаропрочных никелевых сплавов с увеличенной подачей.A promising technological solution through which this goal can be achieved is laser modification of the surface layer based on selective melting and evaporation of microsections of a ceramic plate to obtain a specific relief (dimples, grooves, etc.). The functional purpose of the recesses on the front surface is to act as microreservoirs for placing grease, which prevent it from being carried away by the coming off chips and reliably keep it on the contact area for a long time, which provides a significant decrease in the intensity of friction processes and adhesive seizure of the chips with the front surface of the tool. In addition, the noted change in the nature of the contact interaction of the chips from the front surface makes it possible to prevent premature abrasion of the preformed diamond-like coating and to ensure that it performs its functions for a long time when turning heat-resistant nickel alloys with increased feed.

Таким образом, модификация поверхностного слоя керамических пластин, включающая нанесение алмазоподобных покрытий на заднюю и переднюю поверхности в сочетании с последующей лазерной обработкой отдельных участков передней поверхности с формированием микролунок для размещения консистентной смазки на основе дисульфида молибдена, должна обеспечить высокую эффективность токарной обработки жаропрочных никелевых сплавов с увеличенной подачей, повысить износостойкость инструмента и качество поверхности обработанной детали.Thus, the modification of the surface layer of ceramic plates, including the deposition of diamond-like coatings on the back and front surfaces in combination with the subsequent laser treatment of individual sections of the front surface with the formation of microwells for placing a grease based on molybdenum disulfide, should ensure high efficiency of turning heat-resistant nickel alloys with increased feed, to increase the wear resistance of the tool and the surface quality of the machined part.

Известен способ обработки режущих пластин из оксидно-карбидной керамики, используемых при фрезеровании закаленных сталей и жаропрочных сплавов с увеличенной подачей. Способ включает шлифование режущих пластин и последующее выполнение импульсной лазерной модификации, в процессе которой посредством лазерного воздействия формируют упрочняющую фаску длиной 0,3-0,35 мм, с углом 20-22° и скругляют кромки до радиусов 0,09 мм при интенсивности излучения 36,7 Дж/см², частоте следования импульсов 70 кГц с шагом между импульсами 20-30 мкм и количеством проходов 300, после чего наносят алмазоподобное покрытие толщиной 2,5-3 мкм методом плазмохимического газофазного осаждения в плазме тлеющего разряда посредством запуска химической реакции и разрядной деструкции газовой смеси ацетилена С₂Н₂ с объемной долей 90%, аргона Ar с объемной долей 8% и тетраметилсилана Si(CH₃)₄ с объемной долей 2% (Патент РФ №2712154 С1, опубл. 24.01.2020). Известный способ за счет улучшения качества поверхностного слоя пластин демонстрирует высокую износостойкость и минимизацию случаев хрупкого разрушения режущей части пластин при фрезеровании закаленных сталей твердостью до 63 HRC с увеличенными подачами 0,3-0,5 мм/зуб и скоростями резания 250-400 м/мин.A known method of processing cutting plates made of oxide-carbide ceramics used in milling hardened steels and heat-resistant alloys with increased feed. The method includes grinding the cutting plates and the subsequent implementation of a pulsed laser modification, during which, by means of laser action, a reinforcing chamfer with a length of 0.3-0.35 mm, with an angle of 20-22 ° is formed and the edges are rounded to radii of 0.09 mm at a radiation intensity of 36 , 7 J / cm ² , a pulse repetition rate of 70 kHz with a step between pulses of 20-30 μm and the number of passes of 300, after which a diamond-like coating with a thickness of 2.5-3 μm is applied by the method of plasma-chemical gas-phase deposition in a glow discharge plasma by starting a chemical reaction and discharge destruction of a gas mixture of acetylene C ₂ H ₂ with a volume fraction of 90%, argon Ar with a volume fraction of 8%, and tetramethylsilane Si (CH ₃ ) ₄ with a volume fraction of 2% (RF Patent No. 2712154 C1, publ. 24.01.2020). The known method, by improving the quality of the surface layer of the plates, demonstrates high wear resistance and minimization of cases of brittle fracture of the cutting part of the plates when milling hardened steels with a hardness of up to 63 HRC with increased feeds of 0.3-0.5 mm / tooth and cutting speeds of 250-400 m / min ...

Недостатком данного способа является его предназначение для керамических пластин на операциях прерывистого фрезерования высокотвердых закаленных сталей, в отличие от которых сложнолегированные никелевые сплавы обладают высокими прочностными и пластическими характеристиками при сравнительно невысокой твердости. При обработке никелевых сплавов в условиях непрерывного точения формируется принципиально другой вид стружки, а интенсивность процессов трения и адгезионного схватывания на контактных площадках керамических пластин чрезвычайно высока. Однослойное алмазоподобное покрытие толщиной 2,5-3 мкм не способно эффективно сопротивляться действующим теплосиловым нагрузкам и зачастую быстро истирается в начальный период эксплуатации инструмента и не вносит заметного вклада в повышение его износостойкости.The disadvantage of this method is its intended use for ceramic plates in the operations of intermittent milling of high-hardness hardened steels, in contrast to which complex alloyed nickel alloys have high strength and plastic characteristics with a relatively low hardness. When machining nickel alloys under continuous turning conditions, a fundamentally different type of chips is formed, and the intensity of the processes of friction and adhesive seizure on the contact pads of ceramic plates is extremely high. A single-layer diamond-like coating with a thickness of 2.5-3 microns is not able to effectively resist the existing thermal and power loads and is often quickly worn out during the initial period of the tool's operation and does not make a significant contribution to increasing its wear resistance.

Другим способом, известным из уровня техники, является способ подготовки поверхности резца посредством формирования микромозаичной композиционной текстуры, обладающей противоналипающими и антифрикционными свойствами, заключающийся в формировании на передней поверхности инструмента семейства микрополостей диаметром 20-120 мкм, глубиной 3-70 мкм с продольным шагом 20-120 мкм посредством воздействия импульсного Nd:YAG лазера с диодной накачкой при длине волны 532 нм, фокусном расстоянии 30-90 мм, частотой импульсов 1,5-9,0 кГц, силе тока 13-21 А и скорости сканирования 5-15 мм/с с последующим введением в сформированные микрополости под давлением предварительно подготовленного самосмазывающегося композита на основе дисульфида молибдена с размерами частиц до 1 мкм и дисульфида вольфрама с частицами до 2 мкм, после чего передняя поверхность инструмента подвергается полировке (Патент Китая № CN 103111819 В опубл. 10.06.2015). Известный способ снижает интенсивность адгезионного и фрикционного взаимодействия передней контактной поверхности резца и образующейся стружки, тем самым продлевает срок службы инструмента.Another method known from the prior art is a method for preparing the surface of the cutter by forming a micromosaic composite texture with anti-sticking and antifriction properties, which consists in forming on the front surface of the tool a family of microcavities with a diameter of 20-120 microns, a depth of 3-70 microns with a longitudinal step of 20- 120 μm by the action of a pulsed Nd: YAG laser with diode pumping at a wavelength of 532 nm, a focal length of 30-90 mm, a pulse frequency of 1.5-9.0 kHz, a current strength of 13-21 A and a scanning speed of 5-15 mm / with the subsequent introduction into the formed microcavities under pressure of a previously prepared self-lubricating composite based on molybdenum disulfide with a particle size of up to 1 μm and tungsten disulfide with particles up to 2 μm, after which the front surface of the instrument is polished (Chinese Patent No. CN 103111819 In publ. 10.06. 2015). The known method reduces the intensity of the adhesive and frictional interaction of the front contact surface of the cutter and the resulting chips, thereby extending the service life of the tool.

Недостатками известного способа является его выраженная направленность на защиту от интенсивного истирания передней поверхности резца, при этом задняя поверхность инструмента, непосредственно контактирующая с обрабатываемой поверхностью заготовки, остается незащищенной и интенсивно изнашивается, особенно при том характере теплосиловых нагрузок, который наблюдается при обработке жаропрочных никелевых сплавов на повышенных подачах, при этом значительно увеличивается шероховатость поверхности обрабатываемой заготовки. Кроме того, рекомендуемые условия лазерного текстурирования микрополостей предназначены для обработки, главным образом, резцов из быстрорежущих сталей и твердых сплавов, а для инструментальной керамики, имеющей значительно меньший коэффициент теплопроводности, не являются эффективными и должны быть экспериментально обоснованы.The disadvantages of the known method is its pronounced focus on protection against intense abrasion of the front surface of the cutter, while the rear surface of the tool, which is in direct contact with the workpiece surface being processed, remains unprotected and wears out intensively, especially with the nature of the heat and power loads that is observed when processing heat-resistant nickel alloys on increased feeds, while the surface roughness of the workpiece being processed significantly increases. In addition, the recommended conditions for laser texturing of microcavities are intended for processing, mainly, cutters made of high-speed steels and hard alloys, and for tool ceramics with a significantly lower thermal conductivity coefficient, they are not effective and must be experimentally substantiated.

Другим известным техническим решением является способ модификации поверхностного слоя изделия за счет нанесения дискретных антифрикционных композитных покрытий методами вакуумного осаждения и лазерной обработки, заключающийся в осаждении внутреннего износостойкого покрытия (Ti,Al)N толщиной 0,8 мкм посредством магнетронного распыления прессованной мишени TiAl в атмосфере азота при давлении 10^-1 Па, последующей размерной обработке покрытия посредством воздействия лазерного излучения малой мощности и формирования регулярного микрорельефа с виде группы дискретных углублений диаметром 200-1200 мкм и шагом 19,8-99 мкм с использованием импульсного иттербиевого волоконного лазера при длине волны 1064 нм, мощности излучения 4 Вт, частоте импульсов 20 кГц и скорости сканирования 600 мм/с и на завершающем этапе осаждении наружного твердосмазочного покрытия из дисульфида молибдена толщиной 1 мкм посредством распыления прессованной мишени MoS₂ в атмосфере аргона при давлении 10^-1 Па и заполнении ими пустот между элементами дискретного покрытия (Ti,Al)N (Беликов А.И., Петров В.В., Ивченко Е.А., Гункин Е.А. Исследование дискретных антифрикционных композитных покрытий, формируемых методами вакуумного осаждения и лазерной обработкой // Современные наукоемкие технологии. 2018. №8. С. 27-32). Известный способ обеспечивает улучшенные антифрикционные свойства контактирующих поверхностей и износостойкость изделий с дискретным покрытием в процессе эксплуатации.Another known technical solution is a method for modifying the surface layer of an article by applying discrete antifriction composite coatings by vacuum deposition and laser processing, which consists in the deposition of an internal wear-resistant coating (Ti, Al) N with a thickness of 0.8 μm by magnetron sputtering of a pressed TiAl target in a nitrogen atmosphere at a pressure of 10 ^-1 Pa, subsequent dimensional processing of the coating by exposure to low-power laser radiation and the formation of a regular microrelief in the form of a group of discrete depressions with a diameter of 200-1200 microns and a step of 19.8-99 microns using a pulsed ytterbium fiber laser at a wavelength of 1064 nm , radiation power 4 W, pulse frequency 20 kHz and scanning speed 600 mm / s and at the final stage of deposition of the outer solid lubricating coating of molybdenum disulfide 1 μm thick by spraying a pressed MoS ₂ target in an argon atmosphere at a pressure of 10 ^-1 Pa and filling and the voids between the elements of the discrete coating (Ti, Al) N (Belikov A.I., Petrov V.V., Ivchenko E.A., Gunkin E.A. Investigation of discrete antifriction composite coatings formed by vacuum deposition and laser treatment // Modern science-intensive technologies. 2018. No. 8. S. 27-32). The known method provides improved antifriction properties of contacting surfaces and wear resistance of products with a discrete coating during operation.

Недостатком известного способа является его низкая эффективность при использовании для повышения износостойкости режущего инструмента, работающего в условиях повышенных теплосиловых нагрузок. Связано это с тем, что воздействие лазерного излучения и сформированный с его помощью регулярный микрорельеф не предполагает проникновение вглубь инструментального материала, а находится он в пределах внутреннего покрытия, т.е. в случае отслоения дискретного покрытия наружное твердосмазочное покрытие также будет удалено. Кроме того, даже при условии обеспечения высокой прочности адгезионной связи дискретного покрытия с подложкой будет происходить интенсивное истирание тонкого наружного покрытия, что неизбежно при взаимодействии инструмента с материалом заготовки.The disadvantage of this method is its low efficiency when used to increase the wear resistance of a cutting tool operating under conditions of increased heat and power loads. This is due to the fact that the effect of laser radiation and the regular microrelief formed with its help does not imply penetration into the depth of the instrumental material, but it is located within the inner coating, i.e. if the discrete coating peels off, the outer solid lubricating coating will also be removed. In addition, even if the high strength of the adhesion bond of the discrete coating to the substrate is ensured, intense abrasion of the thin outer coating will occur, which is inevitable when the tool interacts with the workpiece material.

Другим способом, известным из уровня техники, является модификация поверхностного слоя режущих пластин для повышения их износостойкости при точении, включающая поверхностное легирование посредством последовательного напыления в вакуумной камере нанопокрытия NbHfTi толщиной 150-250 нм и его жидкофазного смешивания с материалом инструментальной подложки с помощью широкоапертурного электронного пучка для создания легированного слоя из износостойких нестехиометрических карбидов, последующее нанесение градиентного покрытия (Ti,Al)N толщиной 5-7 мкм посредством вакуумного-дугового испарения катодов и на завершающем этапе - лазерную абляцию с использованием твердотельных импульсных волоконных лазеров и формирование на передней поверхности микрорельефа, например в виде канавки шириной 100 мкм, вдоль режущей кромки при плотности энергии лазерного излучения 0,25 Дж/см² и шагом луча 20 мкм (Федоров СВ., Остриков Е.А. Формирование не сплошных (дискретных) покрытий на твердосплавном инструменте методом лазерной абляции // Вестник МГТУ «Станкин». 2015. №2(33). С. 44-49). Известный способ за счет формирования на контактных поверхностях инструмента двухслойного износостойкого покрытия повышает их микротвердость, снижает их адгезионное и фрикционное взаимодействие с контртелом и обеспечивает повышенную износостойкость режущих пластин при точении подшипниковой стали твердостью 43-47 HRC.Another method known from the prior art is the modification of the surface layer of cutting inserts to increase their wear resistance during turning, including surface alloying by sequentially spraying a 150-250 nm NbHfTi nanocoating in a vacuum chamber and its liquid-phase mixing with the tool substrate material using a wide-aperture electron beam to create an alloyed layer of wear-resistant nonstoichiometric carbides, the subsequent deposition of a gradient coating (Ti, Al) N with a thickness of 5-7 μm by means of vacuum-arc evaporation of cathodes and, at the final stage, laser ablation using solid-state pulsed fiber lasers and the formation of a microrelief on the front surface, for example, in the form of a groove 100 μm wide, along the cutting edge at a laser energy density of 0.25 J / cm ² and a beam step of 20 μm (Fedorov SV., Ostrikov E.A. method of laser ablation // Bulletin of MSTU "Stankin". 2015. No. 2 (33). S. 44-49). The known method, due to the formation of a two-layer wear-resistant coating on the contact surfaces of the tool, increases their microhardness, reduces their adhesive and frictional interaction with the counterbody and provides increased wear resistance of cutting inserts when turning bearing steel with a hardness of 43-47 HRC.

Недостатком известного способа является его предназначение для повышения износостойкости инструмента из твердого сплава и невысокая эффективность при использовании для керамических пластин, так как микроструктура керамики не предусматривает возможности жидкофазного смешивания с предварительно нанесенным нанопокрытием NbHfTi под воздействием электронного пучка и формирование легированного слоя. Кроме того, рекомендуемая плотность энергии лазерного излучения не может обеспечить требуемое плавление и испарение участков поверхности инструментальной керамики и формирование необходимой текстуры, а предлагаемый микрорельеф в виде протяженной канавки шириной 100 мкм, расположенной вдоль режущей кромки, не является рациональным при резании пластичных материалов, склонных к наливанию, так как приводит к формированию на границах канавки дополнительных протяженных микронеровностей, которые могут интенсифицировать процессы адгезионного и фрикционного взаимодействия на контактной поверхности инструмента.The disadvantage of this method is its purpose for increasing the wear resistance of a hard alloy tool and low efficiency when used for ceramic plates, since the microstructure of ceramics does not provide for the possibility of liquid-phase mixing with a pre-applied NbHfTi nanocoating under the influence of an electron beam and the formation of an alloyed layer. In addition, the recommended energy density of laser radiation cannot provide the required melting and evaporation of the surface areas of the tool ceramics and the formation of the required texture, and the proposed microrelief in the form of an extended groove 100 μm wide located along the cutting edge is not rational when cutting plastic materials prone to pouring, since it leads to the formation of additional extended microroughnesses at the boundaries of the groove, which can intensify the processes of adhesive and frictional interaction on the contact surface of the tool.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ модификации поверхностного слоя изделий для повышения их износостойкости, заключающийся в текстурировании быстроизнашиваемых поверхностей посредством обработки пикосекундным лазером мощностью 10 Вт и длиной волны 1064 нм для формирования семейства микролунок с диаметром 100 мкм и глубиной 6 мкм, которые служат резервуарами для размещения смазки на границе раздела изделия и контртела, последующей полировки алмазной суспензией для удаления неровностей, образовавшихся вокруг микролунок после лазерной обработки, и на заключительном этапе - осаждении на контактные поверхности посредством магнетронного распыления аморфного гидрогенизированного алмазоподобного покрытия твердостью 15,5 ГПа и толщиной 1,3 мкм (Arslan Α., Masjuki Н.Н., Varman Μ., Kalam M.A., Quazi M.M., Al Mahmud K.A.H., Gulzar M., Habibullah M. Effects of texture diameter and depth on the tribological performance of DLC coating under lubricated sliding condition // AppliedSurfaceScience. 2015. V. 356. P. 1135-1149). Известный способ обеспечивает улучшенные антифрикционные свойства контактирующих поверхностей и позволяет увеличить износостойкость деталей в условиях интенсивного трения.The closest in technical essence to the proposed invention is the method of modifying the surface layer of products selected as a prototype to increase their wear resistance, which consists in texturing of wear-resistant surfaces by processing with a picosecond laser with a power of 10 W and a wavelength of 1064 nm to form a family of microwells with a diameter of 100 μm and a depth 6 μm, which serve as reservoirs for placing lubricant at the interface between the product and the counterbody, subsequent polishing with a diamond suspension to remove irregularities formed around the microwells after laser treatment, and at the final stage - deposition on the contact surfaces by magnetron sputtering of an amorphous hydrogenated diamond-like coating with a hardness of 15, 5 GPa and 1.3 μm thick (Arslan Α., Masjuki N.N., Varman Μ., Kalam MA, Quazi MM, Al Mahmud KAH, Gulzar M., Habibullah M. Effects of texture diameter and depth on the tribological performanceof DLC coating under lubricated sliding condition // AppliedSurfaceScience. 2015. V. 356. P. 1135-1149). The known method provides improved antifriction properties of the contacting surfaces and makes it possible to increase the wear resistance of parts under conditions of intense friction.

Недостатками данного способа, в том числе технической проблемой, являются:The disadvantages of this method, including a technical problem, are:

- невысокая эффективность при использовании для целей повышения износостойкости керамических пластин, работающих в условиях повышенных теплосиловых нагрузок, так как твердость формируемого алмазоподобного покрытия ниже твердости инструментальной керамики, что вместе с его незначительной толщиной не может сдерживать развитие фаски износа на задней поверхности в процессе точения жаропрочных сплавов на повышенных подачах и она будет интенсивно истираться, значительно ухудшая при этом шероховатость поверхности обрабатываемой заготовки;- low efficiency when used for the purpose of increasing the wear resistance of ceramic plates operating under conditions of increased heat and power loads, since the hardness of the formed diamond-like coating is lower than the hardness of tool ceramics, which, together with its insignificant thickness, cannot restrain the development of a wear chamfer on the flank surface during turning of heat-resistant alloys at increased feeds and it will wear out intensively, while significantly deteriorating the surface roughness of the workpiece being processed;

- рекомендуемые геометрические параметры микролунок, формируемых лазерным воздействием, не являются рациональными для размещения и надежного удержания на передней поверхности консистентной смазки при точении жаропрочных сплавов на повышенных подачах, и не обеспечивают максимального эффекта от формирования на передней поверхности регулярного микрорельефа;- the recommended geometric parameters of microwells formed by laser action are not rational for placement and reliable retention of grease on the front surface when turning heat-resistant alloys at increased feeds, and do not provide the maximum effect from the formation of a regular microrelief on the front surface;

- увеличение времени технологического процесса обработки режущей пластины и его удорожание за счет необходимости применения дополнительной операции полировки образцов алмазной суспензией перед нанесением алмазоподобного покрытия.- an increase in the time of the technological process of processing the cutting plate and its rise in price due to the need to use an additional operation of polishing the samples with a diamond suspension before applying a diamond-like coating.

В основу заявленного изобретения был положен технический результат - повышение износостойкости режущих пластин из керамики на основе оксинитрида алюминия-кремния, минимизация случаев сколов и выкрашивания режущей части, а также снижение шероховатости поверхности обработанной заготовки в процессе точения жаропрочных сплавов системы «никель-хром-железо» с увеличенными подачами 0,3-0,4 об/мин при скоростях резания 150-200 м/мин за счет модификации поверхностного слоя керамических пластин, включающей нанесение на контактные поверхности пластин двухслойных алмазоподобных покрытий посредством вакуумно-дугового испарения катодов и плазмохимического газофазного осаждения и последующее селективное лазерное плавление и испарение участков передней поверхности для формирования специфического микрорельефа в виде группы микролунок для размещения и надежного удержания консистентной смазки на основе дисульфида молибдена.The claimed invention was based on the technical result - increasing the wear resistance of cutting inserts made of ceramics based on aluminum-silicon oxynitride, minimizing the cases of chipping and chipping of the cutting part, as well as reducing the surface roughness of the processed workpiece in the process of turning heat-resistant alloys of the nickel-chromium-iron system with increased feeds of 0.3-0.4 rpm at cutting speeds of 150-200 m / min due to the modification of the surface layer of ceramic plates, including the application of two-layer diamond-like coatings on the contact surfaces of the plates by vacuum-arc evaporation of cathodes and plasma-chemical gas-phase deposition and subsequent selective laser melting and evaporation of the front surface areas to form a specific microrelief in the form of a group of microwells for placement and reliable retention of the molybdenum disulfide grease.

Технический результат достигается тем, что в способе модификации поверхностного слоя режущих пластин из инструментальной керамики, предназначенной для точения никелевых сплавов, включающем осаждение на контактные поверхности пластины из оксинитрида алюминия-кремния алмазоподобных покрытий и последующую лазерную обработку передней поверхности, посредством вакуумно-дугового испарения катодов Cr и AlSi в газовой смеси азота (объемная доля 90%) и аргона (объемная доля 10%) формируется адгезионный подслой (CrAlSi)N толщиной 2,5 мкм и плазмохимическим газофазным осаждением в плазме тлеющего разряда при химической реакции и разложении компонентов газовой смеси ацетилена С₂Н₂(объемная доля 90%), аргона Ar (объемная доля 8%) и тетраметилсилана Si(CH₃)₄ (объемная доля 2%) формируется наружный алмазоподобный слой толщиной 2,5 мкм, после чего посредством избирательного лазерного плавления и испарения участков передней поверхности при плотности энергии лазерного излучения 398 Дж/см² диаметре сфокусированного луча 40 мкм, длительности импульса 0,002 с, длине волны 1064 нм и частоте импульсов f=20 кГ формируется микрорельеф в виде группы микролунок диаметром 48,5 мкм, глубиной 20 мкм и шагом 10…20 мкм, в которых размещается и удерживается в процессе эксплуатации суспензия на основе дисульфида молибдена.The technical result is achieved by the fact that in the method of modifying the surface layer of cutting plates made of tool ceramics intended for turning nickel alloys, including the deposition of diamond-like coatings on the contact surfaces of a plate made of aluminum-silicon oxynitride and subsequent laser processing of the front surface by vacuum-arc evaporation of Cr cathodes and AlSi in a gas mixture of nitrogen (volume fraction 90%) and argon (volume fraction 10%) an adhesive sublayer (CrAlSi) N with a thickness of 2.5 μm is formed and plasma-chemical vapor deposition in a glow discharge plasma during a chemical reaction and decomposition of components of a gas mixture of acetylene C ₂ Н ₂ (volume fraction 90%), argon Ar (volume fraction 8%) and tetramethylsilane Si (CH ₃ ) ₄ (volume fraction 2%), an outer diamond-like layer with a thickness of 2.5 μm is formed, after which, through selective laser melting and evaporation areas of the front surface at a laser energy density of 398 J / cm ² diameter f focused beam 40 μm, pulse duration 0.002 s, wavelength 1064 nm and pulse frequency f = 20 kg, a microrelief is formed in the form of a group of microwells with a diameter of 48.5 μm, a depth of 20 μm and a step of 10 ... 20 μm, in which it is placed and held in during operation, a suspension based on molybdenum disulfide.

Сформированное на контактных поверхностях алмазоподобное покрытие общей толщиной 5 мкм, содержащее адгезионный подслой (CrAlSi)N и наружный алмазоподобный слой, повышает микротвердость контактных площадок керамических пластин до 36,5 ГПа и снижает коэффициент трения до 0,15 в сравнении с исходным керамическим материалом, например α/β SiAlON, твердость которого составляет 20 ГПа, а коэффициент сухого трения по никелевому сплаву 0,3. Алмазоподобное покрытие, нанесенное на керамическую пластину, выполняет функцию твердой смазки между обрабатываемой заготовкой и керамической пластиной, частично изолирующего их друг от друга, сдерживая развитие фаски износа на задней поверхности, обеспечивая более стабильную работу керамических пластин с покрытиями по сравнению с образцами без покрытий в процессе токарной обработки жаропрочных сплавов системы «никель-хром-железо», например ХН45МВТЮБР, с увеличенными подачами 0,3-0,4 мм/об и скоростями резания 150-200 м/мин, сопровождающимися повышенными силовыми и температурными нагрузками.A diamond-like coating formed on the contact surfaces with a total thickness of 5 μm, containing an adhesion sublayer (CrAlSi) N and an outer diamond-like layer, increases the microhardness of the contact areas of ceramic plates to 36.5 GPa and reduces the friction coefficient to 0.15 in comparison with the original ceramic material, for example α / β SiAlON with a hardness of 20 GPa and a dry friction coefficient for nickel alloy of 0.3. A diamond-like coating applied to a ceramic plate acts as a solid lubricant between the workpiece and the ceramic plate, partially isolating them from each other, restraining the development of a wear chamfer on the flank surface, ensuring more stable operation of coated ceramic plates compared to uncoated samples during the process turning of heat-resistant alloys of the nickel-chromium-iron system, for example KhN45MVTYuBR, with increased feeds of 0.3-0.4 mm / rev and cutting speeds of 150-200 m / min, accompanied by increased power and temperature loads.

Последующее селективное лазерное плавление и испарение участков передней поверхности в импульсном режиме для получения группы микролунок диаметром 48,5±1,5 мкм, например, в количестве 20 штук, и заполнение их консистентной смазкой на основе дисульфида молибдена значительно снижает интенсивность процессов трения и адгезионного схватывания стружки с передней поверхностью инструмента, защищает ее от преждевременного истирания, уменьшает риск микросколов режущей части пластин из оксинитрида алюминия-кремния в процессе токарной обработки жаропрочных никелевых сплавов с увеличенными подачами 0,3-0,4 мм/об и скоростями резания 150-200 м/мин, а также снижает шероховатость поверхности обработанной детали.Subsequent selective laser melting and evaporation of areas of the front surface in a pulsed mode to obtain a group of microwells with a diameter of 48.5 ± 1.5 μm, for example, in an amount of 20 pieces, and filling them with a grease based on molybdenum disulfide significantly reduces the intensity of friction and adhesive setting. chips with the front surface of the tool, protects it from premature abrasion, reduces the risk of micro-chips in the cutting part of aluminum-silicon oxynitride plates during turning of heat-resistant nickel alloys with increased feeds 0.3-0.4 mm / rev and cutting speeds of 150-200 m / min, and also reduces the surface roughness of the processed part.

Изобретение поясняется графическими изображениями.The invention is illustrated by graphic images.

На фиг. 1 - принципиальная схема технологической установки для нанесения двухслойных алмазоподобных покрытий на рабочие поверхности режущих пластин из керамики.FIG. 1 is a schematic diagram of a technological installation for applying two-layer diamond-like coatings on the working surfaces of ceramic cutting inserts.

На фиг. 2 - изображение с просвечивающего электронного микроскопа микроструктуры поверхностного слоя режущей пластины из керамики после нанесения двухслойного алмазоподобного покрытия.FIG. 2 is a transmission electron microscope image of the microstructure of the surface layer of a ceramic cutting insert after the application of a two-layer diamond-like coating.

На фиг. 3 - общий вид импульсной лазерной системы на основе иттербиевого волоконно-оптического лазера для формирования группы микролунок на передней поверхности режущей пластины из керамики.FIG. 3 is a general view of a pulsed laser system based on an ytterbium fiber-optic laser for forming a group of microwells on the front surface of a ceramic cutting insert.

На фиг. 4 - SEM-изображение участка передней пластины из керамики α/β SiAlON, иллюстрирующее характер ее изнашивания при наружном точении никелевого сплава ХН45МВТЮБР с повышенными подачами.FIG. 4 - SEM-image of a section of the front plate made of α / β SiAlON ceramics, illustrating the nature of its wear during external turning of nickel alloy KhN45MVTYuBR with increased feeds.

На фиг. 5 - иллюстрация влияния микролунок с консистентной смазкой на процессы трения и адгезионного схватывания на передней поверхности режущей пластины из керамики при точении никелевого сплава.FIG. 5 illustrates the effect of grease-lubricated microwells on friction and adhesion on the front surface of a ceramic cutting insert when turning a nickel alloy.

На фиг. 6 - принципиальная схема формирования группы микролунок посредством лазерного воздействия на участки передней поверхности режущей пластины из керамики и геометрические параметры формируемых углублений.FIG. 6 is a schematic diagram of the formation of a group of microwells by means of laser action on portions of the front surface of a ceramic cutting insert and the geometric parameters of the formed recesses.

На фиг. 7 - SEM-изображения участка передней поверхности керамической пластины с покрытием после лазерного воздействия, а также внешнего вида формируемой лунки.FIG. 7 - SEM images of a section of the front surface of a coated ceramic plate after laser exposure, as well as the appearance of the formed well.

На фиг. 8 - конструкция сборного токарного резца с установленной в державке круглой режущей пластиной из керамики α/β SiAlON, которые использовались при проведении испытаний.FIG. 8 - the design of an assembled turning tool with a circular cutting insert made of α / β SiAlON ceramics installed in the holder, which was used in the tests.

На фиг. 9 - контрастные SEM-изображения распределения никеля (частицы светлого цвета) на задней поверхности режущей пластины из керамики после точения никелевого сплава ХН45МВТЮБР в течение 4 минут.FIG. 9 - contrast SEM images of the distribution of nickel (light colored particles) on the back surface of a ceramic cutting insert after turning the nickel alloy KhN45MVTYUBR for 4 minutes.

Заявляемый способ модификации поверхностного слоя режущих пластин из инструментальной керамики, например α/β SiAlON, для токарной обработки никелевых сплавов типа ХН45МВТЮБР включает нанесение на контактные поверхности пластины двухслойного алмазоподобного покрытия, состоящего из адгезионного подслоя (CrAlSi)N толщиной 2,5 мкм, формируемого вакуумно-дуговым испарением катодов Cr и AlSi в газовой смеси азота (объемная доля 90%) и аргона (объемная доля 10%), и наружного алмазоподобного слоя толщиной 2,5 мкм, формируемого плазмохимическим газофазным осаждением в плазме тлеющего разряда посредством химической реакции и разложения компонентов газовой смеси ацетилена С₂Н₂ (объемная доля 90%), аргона Ar (объемная доля 8%) и тетраметилсилана Si(CH₃)₄ (объемная доля 2%) и последующее избирательное лазерное воздействие на переднюю поверхность пластины и формирование группы микролунок диаметром 48,5 мкм, глубиной 20 мкм и шагом 10…20 мкм, предназначенных для размещения и удержания смазки на основе дисульфида молибдена, при плотности энергии лазерного излучения 398 Дж/см², диаметре сфокусированного луча 40 мкм, длительности импульса 0,002 с, длине волны 1064 нм и частоте импульсов f=20 кГц.The inventive method for modifying the surface layer of cutting inserts made of tool ceramics, for example, α / β SiAlON, for turning nickel alloys of the XN45MVTYuBR type includes applying on the contact surfaces of the plate a two-layer diamond-like coating consisting of an adhesive sublayer (CrAlSi) N 2.5 μm thick, formed by vacuum -arc evaporation of Cr and AlSi cathodes in a gas mixture of nitrogen (volume fraction 90%) and argon (volume fraction 10%), and an outer diamond-like layer 2.5 μm thick, formed by plasma-chemical gas-phase deposition in a glow discharge plasma through a chemical reaction and decomposition of components gas mixture of acetylene С ₂ Н ₂ (volume fraction 90%), argon Ar (volume fraction 8%) and tetramethylsilane Si (CH ₃ ) ₄ (volume fraction 2%) and subsequent selective laser action on the front surface of the plate and the formation of a group of microwells with a diameter 48.5 microns, 20 microns deep and 10 ... 20 microns pitch, intended for placing and holding grease on based on molybdenum disulfide, with a laser energy density of 398 J / cm ² , a focused beam diameter of 40 μm, a pulse duration of 0.002 s, a wavelength of 1064 nm and a pulse frequency of f = 20 kHz.

Пример осуществления способа.An example of the implementation of the method.

Образцы режущих пластин круглой формы из инструментальной керамики α/β SiAlON для нанесения на контактные поверхности двухслойного алмазоподобного покрытия, состоящего из адгезионного подслоя (CrAlSi)N и наружного алмазоподобного слоя, размещаются на поворотном столе вакуумной камеры технологической установки (Фиг. 1). Установка оборудована устройством фильтрации подаваемых газов и многоканальной системой газонапуска, системой вакуумной откачки, источником подачи напряжения смещения на поворотный стол и двумя катодами цилиндрической формы из хрома (Cr) и силумина (AlSi). Предварительную очистку пластин, необходимую для достижения хорошей прочности адгезионной связи осаждаемого покрытия, осуществляют ионами аргона с энергией 500 эВ при давлении 1 Па посредством несамостоятельного газового разряда, зажигаемого между катодами, при этом на поворотный стол с керамическими пластинами подается отрицательное напряжение - 400 В. Электронный поток между цилиндрическими катодами создает плазму высокой плотности, посредством которой поверхность пластин в течение 15 мин продуктивно очищается от загрязнений и окислов перед осаждением покрытия. После завершения очистки при давлении 1,5 Па, плавно уменьшаемом до 0,7 Па, из двух катодов Cr и AlSi производится формирование адгезионного подслоя (CrAlSi)N при напуске в камеру газовой смеси азота (объемная доля 90%) и аргона (объемная доля 10%) и подаче на поворотный стол с керамическими пластинами отрицательного напряжения - 500 В. Время осаждения слоя (CrAlSi)N составляет 30 мин, что обеспечивает толщину 2,5 мкм. Функцией данного слоя является дополнительное увеличение прочности адгезионной связи алмазоподобного покрытия с керамической основой и снижение внутренних напряжений в покрытии. Затем производится формирование наружного алмазоподобного слоя посредством плазмохимического газофазного осаждения в плазме тлеющего разряда посредством химической реакции и разложения компонентов подаваемой в камеру газовой смеси ацетилена C₂H₂ (объемная доля 90%), аргона Ar (объемная доля 8%) и тетраметилсилана Si(СН₃)₄ (объемная доля 2%). Реакция происходят вблизи керамических пластин, в результате чего на их поверхность конденсируется алмазоподобный слой. Вместе с атомами углерода в структуре покрытия присутствуют атомы водорода и кремния. Время осаждения алмазоподобного слоя составляет 180 мин, что обеспечивает толщину 2,5 мкм. Фиг. 2 демонстрирует изображение, полученное посредством просвечивающей электронной микроскопии структуры поверхностного слоя керамической пластины после нанесения двухслойного алмазоподобного покрытия.Samples of circular cutting inserts made of α / β SiAlON tool ceramics for applying on the contact surfaces of a two-layer diamond-like coating, consisting of an adhesive sublayer (CrAlSi) N and an outer diamond-like layer, are placed on the turntable of the vacuum chamber of the technological unit (Fig. 1). The unit is equipped with a filtering device for the supplied gases and a multichannel gas injection system, a vacuum pumping system, a bias voltage supply to the turntable, and two cylindrical chromium (Cr) and silumin (AlSi) cathodes. The preliminary cleaning of the plates, which is necessary to achieve a good strength of the adhesive bond of the deposited coating, is carried out with argon ions with an energy of 500 eV at a pressure of 1 Pa by means of a non-self-sustaining gas discharge ignited between the cathodes, while a negative voltage of 400 V is applied to the rotary table with ceramic plates. the flow between the cylindrical cathodes creates a high-density plasma, by means of which the surface of the plates is efficiently cleaned of impurities and oxides within 15 minutes before the deposition of the coating. After cleaning is completed at a pressure of 1.5 Pa, gradually decreasing to 0.7 Pa, an adhesive sublayer (CrAlSi) N is formed from two Cr and AlSi cathodes when a gas mixture of nitrogen (volume fraction 90%) and argon (volume fraction 10%) and a negative voltage of 500 V is fed to the rotary table with ceramic plates. The deposition time of the (CrAlSi) N layer is 30 minutes, which provides a thickness of 2.5 μm. The function of this layer is to further increase the strength of the adhesion bond of the diamond-like coating with the ceramic base and to reduce the internal stresses in the coating. Then, the outer diamond-like layer is formed by means of plasma-chemical gas-phase deposition in the glow discharge plasma by means of a chemical reaction and decomposition of the components of the gas mixture of acetylene C ₂ H ₂ supplied to the chamber (volume fraction 90%), argon Ar (volume fraction 8%), and tetramethylsilane Si (CH ₃ ) ₄ (volume fraction 2%). The reaction takes place near the ceramic plates, as a result of which a diamond-like layer condenses on their surface. Together with carbon atoms, hydrogen and silicon atoms are present in the coating structure. The deposition time of the diamond-like layer is 180 min, which provides a thickness of 2.5 μm. FIG. 2 shows a transmission electron microscopy image of the structure of the surface layer of a ceramic plate after the application of a two-layer diamond-like coating.

Для последующего формирования группы микролунок на передней поверхности керамических пластин с алмазоподобными покрытиями последние посредством специальных приспособлений позиционируются на рабочем столе импульсной лазерной системы на основе иттербиевого волоконно-оптического лазера с выходной мощностью излучения до 20 Ватт, длиной волны излучения 1064 нм, которая дополнительно оснащается F-Theta линзами для фокусировки луча различного диаметра (Фиг. 3).For the subsequent formation of a group of microwells on the front surface of ceramic plates with diamond-like coatings, the latter are positioned by means of special devices on the working table of a pulsed laser system based on an ytterbium fiber-optic laser with an output radiation power of up to 20 watts, a radiation wavelength of 1064 nm, which is additionally equipped with F- Theta lenses for focusing a beam of different diameters (Fig. 3).

На основе экспериментального анализа механизма изнашивания и оценки размерного износа передней поверхности круглых пластин из керамики α/β SiAlON (Фиг. 4) при наружном точении никелевого сплава ХН45МВТЮБР с подачей 0,4 мм/об, скоростью резания 150 м/мин и глубиной резания 1,0 мм была выявлена топография передней поверхности пластины, которую целесообразно сформировать лазерной обработкой и которая обеспечивала бы удержание на ней смазки на основе дисульфида молибдена длительное время, способствуя при этом снижению интенсивности процессов трения и адгезионного схватывания стружки с передней поверхностью инструмента и защищая ее от интенсивного изнашивания. Фиг. 5 наглядно иллюстрирует потенциальный эффект от формирования топографии в виде группы лунок, являющихся микрорезервуарами для размещения консистентной смазки, предотвращающими ее унос сходящей стружкой, образующейся при точении никелевых сплавов с увеличенными подачами. Целесообразная (минимально необходимая) топография передней поверхности круглых керамических пластин, формируемая лазерным воздействием, представляет собой прямоугольную площадку длиной 265-330 мкм и шириной 210-260 мкм, на которой расположены порядка 20 лунок диаметром 45-50 мкм, глубиной 18-20 мкм и шагом 10-20 мкм. Количество таких площадок на каждой пластине определяется количеством режущих граней.Based on the experimental analysis of the wear mechanism and assessment of the dimensional wear of the front surface of round plates made of α / β SiAlON ceramics (Fig. 4) during external turning of nickel alloy KhN45MVTYuBR with feed 0.4 mm / rev, cutting speed 150 m / min and cutting depth 1 , 0 mm, the topography of the front surface of the plate was revealed, which is advisable to form by laser processing and which would ensure the retention of a lubricant based on molybdenum disulfide on it for a long time, while helping to reduce the intensity of friction processes and adhesive seizure of chips with the front surface of the tool and protecting it from intense wear. FIG. 5 clearly illustrates the potential effect of the formation of topography in the form of a group of dimples, which are microreservoirs for placing the grease, preventing it from being carried away by the swarf generated when turning nickel alloys with increased feeds. The expedient (minimum required) topography of the front surface of round ceramic plates, formed by laser action, is a rectangular area 265-330 μm long and 210-260 μm wide, on which about 20 holes with a diameter of 45-50 μm, a depth of 18-20 μm and step 10-20 microns. The number of such areas on each insert is determined by the number of cutting edges.

Технологические режимы лазерного воздействия при проведении экспериментов варьировались в следующем диапазоне - плотность энергии лазерного излучения W=160…400 Дж/см², частота импульсов f=10…50 кГц, диаметр сфокусированного луча d=30…50 мкм, длина волны λ=1064 нм и длительность импульса t=0,002 с. Для установления рациональных технологических режимов лазерной обработки переднюю поверхность керамических образцов обследовали на электронном сканирующем микроскопе VEGA3LMH и профилографе-профилометре HOMMEL TESTER Т8000. Фиг. 6 иллюстрирует технологический принцип выполнения лазерной обработки для формирования топографии в виде группы лунок, а также геометрические параметры углублений, получаемых на рекомендуемых режимах. Было установлено, что топография поверхностного слоя, имеющая требуемую микрогеометрию с отсутствием видимых зон микровыкрашиваний, формируется при следующем сочетании режимов лазерного воздействия: плотность энергии лазерного излучения - 398 Дж/см², частота импульсов - 20 кГц, диаметр сфокусированного луча - 40 мкм. На данных режимах формируются лунки диаметром 48,5 мкм и глубиной 20 мкм. При этом точность лазерной обработки составляет ±1,0…1,5 мкм. На фиг. 7 представлено изображение участка передней поверхности одного из образцов пластины после лазерного воздействия, а также внешний вид формируемой лунки.Technological modes of laser exposure during the experiments were varied in the following range - the energy density of laser radiation W = 160 ... 400 J / cm ² , pulse frequency f = 10 ... 50 kHz, focused beam diameter d = 30 ... 50 μm, wavelength λ = 1064 nm and pulse duration t = 0.002 s. To establish rational technological modes of laser processing, the front surface of the ceramic samples was examined using a VEGA3LMH scanning electron microscope and a HOMMEL TESTER T8000 profilograph-profilometer. FIG. 6 illustrates the technological principle of performing laser processing to form topography in the form of a group of dimples, as well as the geometric parameters of the dimples obtained in the recommended modes. It has been found that the topography of the surface layer having desired microgeometry with the absence of visible bands mikrovykrashivany formed next combination mode laser exposure: density of laser radiation energy - 398 J / cm ^2, the pulse frequency of - 20 KHz, the diameter of the focused beam - 40 microns. In these modes, holes with a diameter of 48.5 µm and a depth of 20 µm are formed. In this case, the accuracy of laser processing is ± 1.0 ... 1.5 microns. FIG. 7 shows an image of a portion of the front surface of one of the plate samples after laser exposure, as well as the appearance of the formed hole.

Эксплуатационные испытания круглых керамических пластин, прошедших нанесение алмазоподобных покрытий и лазерное воздействие, производили при наружном точении цилиндрической заготовки из сплава ХН45МВТЮБР (ЭП718-ИД) на повышенных подачах. Устанавливались следующие режимы резания: 1) V=150 м/мин, S=0,3 мм/зуб, t=1 мм; 2) V=200 м/мин, S=0,4 мм/зуб, t=0,5 мм. Прутки из жаропрочного сплава на никелевой основе готовили для испытаний, предварительно сняв с них припуск толщиной 5 мм, а затем закрепляли в трехкулачковом патроне токарного станка CU500MRD с регулируемой частотой вращения шпинделя. Процесс точения осуществляли без использования СОЖ, а на переднюю поверхность платин наносили смазку MODENGY на основе дисульфида молибдена.Operational tests of round ceramic plates that have undergone the application of diamond-like coatings and laser exposure were carried out with external turning of a cylindrical billet made of KhN45MVTYuBR alloy (EP718-ID) at increased feed rates. The following cutting modes were set: 1) V = 150 m / min, S = 0.3 mm / tooth, t = 1 mm; 2) V = 200 m / min, S = 0.4 mm / tooth, t = 0.5 mm. The rods of a heat-resistant nickel-based alloy were prepared for testing, having previously removed an allowance of 5 mm from them, and then fixed in a three-jaw chuck of a CU500MRD lathe with an adjustable spindle speed. The turning process was carried out without the use of coolant, and MODENGY grease based on molybdenum disulfide was applied to the front surface of the platinum.

При испытаниях использовался сборный токарный резец, в державке которого прихватом сверху крепились круглые пластины из керамики α/β SiAlON (Фиг. 8). Конструкция сборного резца обеспечивала следующую геометрию керамических пластин - передний угол γ=-10° и задний угол α=10°. Испытывались 3 вида пластин: 1) исходные пластины без дополнительной поверхностной обработки: 2) пластины, на контактные поверхности которых было нанесено двухслойное алмазоподобное покрытие; 3) пластины, на контактные поверхности которых было нанесено двухслойное алмазоподобное, после чего их передняя поверхность была подвергнута лазерному воздействию, сформирована серия микролунок и нанесена смазка на основе дисульфида молибдена.During the tests, an assembled turning tool was used, in the holder of which round plates made of α / β SiAlON ceramics were fastened with a grip from above (Fig. 8). The design of the assembled cutter provided the following geometry of ceramic plates - rake angle γ = -10 ° and clearance angle α = 10 °. Three types of plates were tested: 1) original plates without additional surface treatment: 2) plates, on the contact surfaces of which a two-layer diamond-like coating was applied; 3) plates, on the contact surfaces of which a two-layer diamond-like one was applied, after which their front surface was subjected to laser action, a series of microwells was formed, and a lubricant based on molybdenum disulfide was applied.

За критерий потери работоспособности (отказа) режущих пластин был принят предельный износ по задней поверхности, равный 0,5 мм. Для количественной оценки износа использовался металлографический оптический микроскоп StereoDiscovery, предназначенный для измерения линейных размеров. Износостойкость инструмента определялась как время резания до достижения инструментом предельного износа. Через каждые две минуты останавливали процесс точения и контролировали значение износа. По окончании эксперимента для каждого вида керамических пластин строили кривую зависимости износа по задней поверхности от времени резания, на основании которой вычисляли значение стойкости. Кроме того, в процессе экспериментов оценивались интенсивность лункообразования на передней поверхности и налипания никелевого сплава на заднюю поверхность, а также шероховатость обработанной заготовки.For the criterion of the loss of working capacity (failure) of cutting inserts, the limiting wear along the flank surface, equal to 0.5 mm, was taken. To quantify wear, a StereoDiscovery metallographic optical microscope was used to measure linear dimensions. Tool wear resistance was defined as the time it takes to cut until the tool reaches its wear limit. The turning process was stopped every two minutes and the wear value was monitored. At the end of the experiment, for each type of ceramic plates, a curve of the dependence of the flank wear on the cutting time was plotted, on the basis of which the value of resistance was calculated. In addition, in the course of the experiments, the intensity of crater formation on the front surface and adhesion of nickel alloy to the rear surface, as well as the roughness of the processed workpiece, were evaluated.

При режимах обработки V=150 м/мин, S=0,4 мм/об, t=1 мм средняя стойкость исходных керамических пластин составила 3 минуты, и имели место случаи потери работоспособного состояния вследствие сколов, что говорит о недостаточной надежности инструмента при точении никелевых сплавов с увеличенной подачей. При этом наблюдались интенсивное лункообразование на передней поверхности и налипание плотного слоя никелевого сплава на заднюю поверхность, а шероховатость обработанной заготовки составила 4,2…6,0 мкм. После нанесения двухслойного алмазоподобного покрытия средняя стойкость керамических пластин немного увеличилась и составила 4,8 минуты, сократились случаи хрупкого разрушения режущей кромки. На передней поверхности также наблюдалось лункообразование, хотя и менее интенсивное, а на задней поверхности были обнаружены менее значительные налипы обрабатываемого материала, при этом шероховатость обработанной поверхности несколько снизилась и составила 3,2…4,1 мкм. Использование керамической пластины с алмазоподобными покрытиями и сформированными на передней поверхности посредством лазерного воздействия микролунками, в которых размещалась консистентная смазка, обеспечило увеличение средней стойкости до 7,4 минут, случаев хрупкого разрушения выявлено не было, а шероховатость обработанной поверхности еще более снизилась и составила 2,5…3,6 мкм. На передней поверхности процесс лункообразования был полностью блокирован, а на задней поверхности были обнаружены умеренные налипы обрабатываемого материала. Фиг. 9, на которой представлены контрастные изображения распределения никеля (частицы светлого цвета) по задней поверхности керамической пластины вблизи режущей кромки, наглядно демонстрирует значительное снижение интенсивности налипания обрабатываемого материала на заднюю поверхность.At processing modes V = 150 m / min, S = 0.4 mm / rev, t = 1 mm, the average durability of the original ceramic plates was 3 minutes, and there were cases of loss of the working state due to chips, which indicates insufficient reliability of the tool during turning nickel alloys with increased feed. At the same time, intensive crater formation on the front surface and adhesion of a dense layer of nickel alloy to the rear surface were observed, and the roughness of the processed workpiece was 4.2 ... 6.0 microns. After the application of a two-layer diamond-like coating, the average life of the ceramic plates increased slightly and amounted to 4.8 minutes, and the incidence of brittle fracture of the cutting edge decreased. On the front surface, crater formation was also observed, although less intense, and on the rear surface, less significant build-up of the processed material was found, while the roughness of the processed surface slightly decreased and amounted to 3.2 ... 4.1 microns. The use of a ceramic plate with diamond-like coatings and microwells formed on the front surface by means of laser action, in which the grease was placed, provided an increase in average durability up to 7.4 minutes, no cases of brittle fracture were detected, and the roughness of the treated surface decreased even more and amounted to 2, 5 ... 3.6 microns. On the front surface, crater formation was completely blocked, and on the back surface, moderate build-up of the processed material was found. FIG. 9, which shows contrasting images of the distribution of nickel (light colored particles) on the rear surface of the ceramic plate near the cutting edge, clearly demonstrates a significant reduction in the intensity of adhesion of the processed material to the rear surface.

При наружном точении на режимах V=200 м/мин, S=0,3 мм/об, t=0,5 мм средняя стойкость исходных керамических пластин составила 4,6 минуты, наблюдались случаи хрупкого разрушения режущей кромки, происходило интенсивное лункообразование на передней поверхности и налипание никелевого сплава на заднюю поверхность, а шероховатость обработанной заготовки составила 3,1…3,6 мкм. После нанесения алмазоподобного покрытия средняя стойкость керамических пластин увеличилась до 6,6 минут, но имел место случай выкрашивания. На передней поверхности наблюдалось умеренное лункообразование, а на задней поверхности выявлены менее существенные налипы обрабатываемого материала, при этом шероховатость обработанной поверхности несколько снизилась и составила 2,5…3,2 мкм. Керамические пластины с алмазоподобными покрытиями и с микролунками и консистентной смазкой показали увеличение средней стойкости до 10,6 минут при отсутствии случаев хрупкого разрушения. На передней поверхности лунка не формировалась, на задней поверхности были умеренные налипы обрабатываемого материала, а шероховатость обработанной поверхности имела значения 2,2…2,8 мкм, что является минимальным значением среди всех серий проведенных экспериментов на увеличенных подачах.With external turning at V = 200 m / min, S = 0.3 mm / rev, t = 0.5 mm, the average durability of the original ceramic plates was 4.6 minutes, there were cases of brittle fracture of the cutting edge, intensive crater formation occurred on the front surface and adhesion of nickel alloy to the rear surface, and the roughness of the processed workpiece was 3.1 ... 3.6 microns. After the application of the diamond-like coating, the average life of the ceramic plates increased to 6.6 minutes, but there was a case of chipping. Moderate crater formation was observed on the front surface, and less significant build-up of the processed material was revealed on the rear surface, while the roughness of the processed surface slightly decreased and amounted to 2.5 ... 3.2 microns. Ceramic plates with diamond-like coatings and with microwells and grease showed an increase in average durability up to 10.6 minutes in the absence of cases of brittle fracture. On the front surface, the hole was not formed, on the back surface there were moderate build-up of the processed material, and the roughness of the processed surface was 2.2 ... 2.8 μm, which is the minimum value among all series of experiments carried out at increased feed rates.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы изобретения, обеспечивает получение заявленного технического результата - повышение износостойкости режущих пластин из керамики на основе оксинитрида алюминия-кремния, минимизация случаев сколов и выкрашивания режущей части, а также снижение шероховатости поверхности обработанной заготовки в процессе точения жаропрочных сплавов системы «никель-хром-железо» с увеличенными подачами 0,3-0,4 об/мин при скоростях резания 150-200 м/мин за счет нанесения на контактные поверхности пластин двухслойных алмазоподобных покрытий посредством вакуумно-дугового испарения и плазмохимического осаждения и последующего селективного лазерного плавления и испарения участков передней поверхности с формированием специфического микрорельефа в виде группы микролунок для размещения консистентной смазки на основе дисульфида молибдена.Thus, the claimed set of essential features, reflected in the independent claim of the invention, provides the claimed technical result - an increase in the wear resistance of ceramic cutting inserts based on aluminum-silicon oxynitride, minimization of chipping and chipping of the cutting part, as well as a decrease in the surface roughness of the processed workpiece in the process of turning heat-resistant alloys of the nickel-chromium-iron system with increased feeds of 0.3-0.4 rpm at cutting speeds of 150-200 m / min due to the application of two-layer diamond-like coatings on the contact surfaces of the plates by means of vacuum-arc evaporation and plasma-chemical deposition and subsequent selective laser melting and evaporation of areas of the front surface with the formation of a specific microrelief in the form of a group of microwells for placing a grease based on molybdenum disulfide.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.The analysis of the claimed technical solution for compliance with the conditions of patentability showed that the features indicated in the formula are essential and interconnected with the formation of a stable set of necessary features, unknown at the priority date from the prior art and sufficient to obtain the required synergistic (over-total) technical result.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его реализации предназначен для повышения износостойкости и надежности керамических пластин из оксинитрида алюминия-кремния и снижения шероховатости поверхности обрабатываемой заготовки при точении жаропрочных никелевых сплавов с увеличенными подачами за счет выполнения модификации поверхностного слоя, включающей осаждение на контактные площадки пластины двухслойного алмазоподобного покрытия, состоящего из адгезионного подслоя (CrAlSi)N, формируемого вакуумно-дуговым испарением катодов в азото-аргоновой газовой смеси, и наружного алмазоподобного слоя, формируемого плазмохимическим газофазным осаждениям в плазме тлеющего разряда при химической реакции и разложении компонентов газовой смеси ацетилена, аргона и тетраметилсилана, и последующее избирательное импульсное лазерное воздействие на переднюю поверхность пластины для формирования микрорельефа в виде группы микролунок для нанесения консистентной смазки на основе дисульфида молибдена;- an object embodying the claimed technical solution, in its implementation, is intended to increase the wear resistance and reliability of ceramic plates made of aluminum-silicon oxynitride and reduce the surface roughness of the workpiece being processed when turning heat-resistant nickel alloys with increased feeds by performing a modification of the surface layer, including deposition on contact pads plates of a two-layer diamond-like coating consisting of an adhesive sublayer (CrAlSi) N formed by vacuum-arc evaporation of cathodes in a nitrogen-argon gas mixture, and an outer diamond-like layer formed by plasma-chemical gas-phase deposition in a glow discharge plasma during a chemical reaction and decomposition of gas components argon and tetramethylsilane, and subsequent selective pulsed laser action on the front surface of the plate to form a microrelief in the form of a group of microwells for applying a grease based on mo disulfide libden;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;- for the declared object in the form as it is described in the formula, the possibility of its implementation is confirmed using the means and methods described above in the application or known from the prior art as of the priority date;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- an object that embodies the claimed technical solution, in its implementation, is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Consequently, the claimed subject matter meets the criteria of patentability "novelty", "inventive step" and "industrial applicability" under the current legislation.

Claims

A method for modifying the surface layer of a cutting plate made of tool ceramics intended for turning nickel alloys, including the deposition of diamond-like coatings on the contact surfaces of a plate made of aluminum-silicon oxynitride and subsequent laser treatment of the front surface, characterized in that by vacuum-arc evaporation of Cr and AlSi cathodes in a gas mixture of nitrogen with a volume fraction of 90% and argon with a volume fraction of 10% form an adhesion sublayer (CrAlSi) N with a thickness of 2.5 μm and by means of plasma-chemical gas-phase deposition in a glow discharge plasma during a chemical reaction and decomposition of the components of a gas mixture of acetylene С ₂ Н ₂ with volume fraction of 90%, argon Ar with a volume fraction of 8% and tetramethylsilane Si (CH ₃ ) ₄ with a volume fraction of 2% form an outer diamond-like layer with a thickness of 2.5 μm, after which, by selective laser melting and evaporation of sections of the front surface at a laser energy density radiation 398 J / cm ² , focus diameter beam 40 μm, pulse duration 0.002 s, wavelength 1064 nm and pulse frequency f = 20 kHz form a microrelief in the form of a group of microwells with a diameter of 48.5 μm, a depth of 20 μm and a step of 10 ... 20 μm, providing placement and retention of a suspension on the basis molybdenum disulfide when turning.