SU1465463A1 - Способ изготовлени режущего инструмента из быстрорежущей стали и твердого сплава с износостойким покрытием - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к металлообработке , в частности к способу изготовлени  металлорежущего инструмента с покрытием.

Целью изобретени   вл етс  повышение износостойкости инструмента.

Сущность предлагаемого способа изготовлени  режущего инструмента с

износостойким покрытием состоит в формировании на его поверхности под сло  из смешанных кристаллов, часть которых диффундирует в покрытие в процессе его нанесени , легирует и упрочн ет его, а друга  часть расплавл етс , заполн   шероховатости поверхности режущего инструмента.В процессе резани  стойкость инструмента увеличиваетс  как за счет по- вышенных физико-механичегских свойств легированного покрыти , так и за счет свойств подсло , который  вл етс  высокопрочным каркасом дл  покрыти  и одновременно барьером,пре- дохран 1ош 1м поверхность режущего инструмента от истирани  после прорыва покрыти  Кроме того, в момент начального разрушени  покрыти  и подсло  в результате высоких удельных .давлений и температзф в зоне контакта происходит вьодавливание легкоплав ких составл ющих, что обеспечивает смазывание жидкими или м гкими металлическими смазками. Это снижает износ и- повышает стойкость инстру- мента.

Подслой из смешан В)1х кристаллов формируетс  из предварительно нанесенных на поверхность инструмента солей, материала покрыти  и углерода инструментальной основы в процессе очистки и разогрева инструмента ионной бомбардировкой в дуговом разр де перед нанесением износостойкого покрыти .

-

Способ осуществл етс  следующим

образом.

Инструмент помещают в емкость,заполненную насыщенным раствором, например раствором буры в воде. При этом на инструментальной основе происходит осалздение гидратированных ионов соли. Солевые растворы содержат как ионы металлов, так и неметаллические составл ющиеj Растворы готов т насьщенными,, что обеспечивает осаждение.на инструментальной основе максимально возможного количества ионов. При использовании пересыщенных растворов процесс осаждени  затруднен присутствием в растворе второй фазы, что снижа-ет количество ионов на поверхности и сплошность их размещени ,

Вьдержка инструмента в насьш1енном солевом растворе осуществл етс  при температуре растворени  каждой кон0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

кретной соли, чтобы сохр41нить посто нной концентрацию ионов в растворе и предотвратить вьт&дание второй фазы. Оптимальное врем  вьщержки инструмента в насыщенных солевых растворах составл ет 5-10 мин. При вьщержке менее 5 мин осаждение ионов на поверхности происходит не полностью , что снижает стойкость режущего инструмента, а вьщержка инструмента в растворе более 10 мин не вли ет на стойкость инструмента.

По истечении 5-10 мин вьщержки . инструмента в солевом растворе инструмент помещают в печь, нагретую до температуры кристаллизации используемой соли из того или иного раствора, и вьщерживают при указанной температуре в течение времени испарени  растворител . Указанные услови  обеспечивают кристаллизацию соли на поверхности инструментальной основы. При кристаллизации соли из раствора при температуре ниже кристаллизационной кристаллы содержат . большое количество кристаллизацион- ;ной воды, водород которой в процессе конденсации покрытий увеличивает хрупкость последних, что снижает стойкость режущего инструмента, а при кристаллизации соли из раствора при температурах выше кристаллизационной происходит их частичное разложение , что также снижает стойкость

инструмента.

I

Подготовленный таким рбразом инструмент помещают в технологический объем вакуумной установки дл  нанесени  покрытий, откачивают ее, после чего провод т очистку поверхности режущего инструмента бомбардировкой ионами материала катода, расходуемого в дуговом разр да с разогревом до температуры разложени  соли,после чего снимают напр жение смещени  с рехсущего инструмента, вьщерживают его в камере при указанной темпера- . туре в течение 15-30 с, затем снова прикладывают напр жение 800-10000 В и продолжают разогрев поверхности инструмента ионами материала катода и ионами неметаллических составл ю- соли при нагреве поверхности инструмента до температуры разложени  соли, до температуры карбидиза- ции материала катода на инструментальной основе.

Дл  осуществлени  разогрева по- верхностн ионкой бомбардировкой к инструменту прикладывают напр жени 800-10000 В, При напр жении менее 800 В разогрер--; поверхности происходит очень медленно и температура к бидизации не достигаетс , что снижет стойкость инструмента. При напржении более 10000 В скорость нагрва превышает 200 град/с, что ведет перегреву режущей кромки инструмента и потере им режущих свойств.

При достижении температуры разложени  нанесенной на поверхности инструмента соли с инструмента снимают напр жение смещени , прекраща его разогрев и вьдерживают в камер при температуре разложени  соли в течение с. При выдержке инстмента в камере менее 15 с разложение соли происходит не полностью и дальнейший разогрев поверхности спсобствует ее расплавлению, что уме щает количество неметаллических сотавл ющих в камере и, соответствен снижает стойкость инструмента. При выдержке инструмента в камере боле . 30 с инструмент остывает и процесс разложени  соли прекращаетс , что также снижает количество ее неметаллических составл ющих в камере. Аналогичные процессы происход т в том случае, если выдержку инструмен . та в камере осуществл ть при температуре вьше или ниже температуры разложени  соли,, так как соль не успевает разложитьс  и расплавитьс .

При достижении на поверхности инструментальной основы температуры карбидизации материала катода в камеру подают газ-реагент, создава  в ней давление 6,67-6, Па и одновременно снижают напр жение смещени  на режущем инструменте до 25-750 В и вьщерживают его в камере до получени  износостойкого покрыти  заданной толщины. При конденсации многослойных покрытий используют попеременное подключение нескольких катодов, выполненных из различных металлов или из сплавов, и введение соответствующих газов-реагентов , вход щих в состав чередующихс  слоев.

При использовании при конденсации покрытий напр жени  смещени  на режущем инструменте менее 25 В по- веохность его быстро остывает,что

10

15

20

приводит X сражению сил адгезии между инструментом и покрытием, последнее при этом быстро отслаиваетс . При напр жении более 750 В ухудшаютс  физико-механические свойства покрыти .; что снижает стойкость инструмента „ При значении парциального давлени  газа-реагента менее 6,67 Па дуговой разр д переходит в тлеющий, что нарушает технологический процесс, а при значении давлени  более 6,67i Па газ-реагент присутствует в камере в качестве примеси, что измен ет заданный состав покрыти  и также снижает стойкость инструмента.После окончани  процесса конденсации покрыти  инструмент охлаждают в ка-- мере до комнатной температуры.

Формирование подсло  осуществл етс  в несколько этапов.

В начальный момент очистки поверхности режущего инструмента с осажденными на ней кристаллами соли 25 ионной бомбардировкой происходит только локальна  конденсаци  на ней материала катода. При-достижении температуры разложени  осей происходит их распад на более простые соединени , непосредственно металлы и газовые составл ющие. При дальнейшем нагреве легкоплавкие металлы (например, щелочные или щелочно-зе- мельные металлы) разм гчаютс  или частично расплавл ютс  и заполн ют щероховатости поверхности инструмента . Более тугоплавкие металлы (например , переходные металлы) в элементарном виде или в виде соединений остаютс  на поверхности и частично взаимодействуют с конденсирующимис  материалами катода. При этом выдел ющиес  при разложении солей газы ионизируютс , образу  разнозар жен- 45 bie комплексы. Положительно зар женные частицы направл ютс  вместе с потоком материала катода к поверхности режущего инструмента, конденсируютс  на ней и вступают в химическую реакцию с наход щимис  там элементами и соединени ми.

30

35

40

0

55

При достижении на поверхности инструмента температуры карбидизации на ней происходит образование соответствующих карбидов на основе конденсированного материала катода и диффундирующего углерода, вход щего В состав инструментальной основы.

При этом происходит легирование образующихс  карбидов элементами и соединени ми, наход щимис  на поверхности инструмента и обладающими с ними взаимной растворимостью,Помимо этого протекают процессы восстановлени  и возникновени  различных самосто тельных соединений, не вход щих в состав карбидов. Таким образом формируетс  сложнолегированный под- слой из смешанных кристаллов. В случае , если температура карбидизаи и не достигаетс , в составе подсло  отсутствуют карбидные фазы, что снижает стойкость инструмента, при ее превышении происходит разупрочнение инструментального материала, что также снижает стойкость инструмента.

Пример. Предварительно очищенный инструмент, изготовленный из твердого сплава Т14К8 и быстрорежущей стали РбМ5 помещали в емкость, заполненную насыщенньм раствором натриевой соли тетраборной кислоты (буры ) в воде. Растворен ; е проводилось при 30°.С. При этой температуре насыщенный раствор получают при раство-. рении 3,75 г буры в 100 г воды.После

ных в результате разложени  буры,до температуры карбйдизации титана на поверхности инструмента. Температу- ра карбидизации титана на поверхности стали составл ла 500-520°С, а на поверхности твердого сплава - 650-670°С. Контроль температуры осуществл лс  инфракрасным пирометром.

После достижени  указанной температуры напр жение смещени  на режущем инструменте снижалось до 300 В, а камера заполн лась азотом до давлени  Па - при этом осуществл лось формирование покрыти толщиной 5 мкм на основе нитрида титана, легированного составл ющими соли.Затем подача азота прекращалась, дуговой разр д выключалс , с инструмента снималось напр жение смещени  и он охлаждалс  в камере до комнатной температуры.

Предложенным способом бьии изготовлены также сверла и пластины с

износостойким покрытием при использовании различных солевых растворов, режимов вьщержки инструмента и режимов нанесени  покрытий. Все параметры и услови  конкретных примеров

вьщержки инструмента в растворе в те- 30 осуществлени  способа сведены в

чение 5 мин он переносилс  в печь с температурой нагрева 60 С и вьщер- живалс  в ней до полного испарени  воды. Затем инструмент размещалс  в камере вакуумной- установки дл  ,нанесени  покрытий. Камера откачивалась до давлени  ниже 6567-10 Па и на инструмент подавалось в:апр жение 1500 Вь Между ним и катодом, изготовленным из сплава титана, зажигалс  дуговой раз-р д и проводилась очистка поверхности инструмента ионами титана до температуры разложени  буры 400°С. После этого напр жение смещени  с режз щего инструмента снималось и он выдерживалс  щэи ЛОО°С в течение 20 с. Затем на инструмент вновь подавалось напр жение 1500 В и продолжалась ионна  бомбардировка титаном совместно с ионами борокислородных соединений, получен5

0

5

0

табл. 1 и 2. В таблицах представлены также результаты стойкости испытаний режущего инструмента, изготовленного без предварительной вьщержки инструмента в солевом растворе перед нанесением покрыти , и режущего инструмента , полученного предложенным способом при различных режимах.

Стойкостные испытани  сверл из стали Р6М5 и режущих пластин из сплава Т15К6 Проводились при обработке стали 45 по режимам, приведенным в -табл .3.

Оптимальное врем  вьщержки инструмента в насыщенном солевом растворе составл ет 5-10 мин, а врем  ,вьщержки В- вакуумной камере после достижени  температуры разогрева поверхности инструмента, равной температуре разложени  солей, составл ет 15-30 Со

Свер- ла Пластины

Сверла

Нура Вода

30

Пластины

Калий Вода циано вода нат

40

Пластины

Сверла

400

Пластины

Таблица 1

TiN

300

70

400

80

300

1500

500

650

300

390

515

520

350

25

37

45

48

31

Ell

300 100 450 400

30

30

Сверла

400

30

Пластины

Сверла Тетра- Спирт 20 карбоНИЛ

хрома

Пластины

Сверла Бура Вода 30

3 5 8

10

12

3

5

8

10

12

5

Пластины

верла

Бура в раз- бав- ленном растворе

Бура в Вода насыщенном растворе Бура в пере- сьпцен- ном растворе

30

Средн   стойкость инструмента определ лась по партии сверл в количест в е 1 5 шт,

Продолжение табл.2

1500

750

800

1500

10000

10ГОО

1500

500

0

150

450 500 600 500 650 750

Твердый раствор на основе TiN

290

520

420

180

510

350

545

210

295

520

50

27

48

30

0 70 80 60 70 80

Твердый раствор на основе TiN

Твердый раствор на основе TiN

280

430

600

650

600

26

35

54

57

56

280

550

220

25

48

26

200

70

400

550

300

13

Скорость, м/мин Подача, мм/об Глубина резани ,мм

1465463. U

Таблица 3

45 0,18 16,5

160 0,3 1

Claims (2)

1. , 1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ · СТАЛИ И ТВЕРДОГО СПЛАВА С ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ, включающий очистку поверхности инструмента с разогревом ее ионной бомбардировкой в дуговом разряде в вакууме путем приложения к инструменту отрицательного напряжения смещения 800-10000 В, формирование на очищенной поверхности износостойкого покрытия путем введения в объем.газа-реагента при парциальном давлении 6,67-6,67* Ю~³ Па и напряжении смещения 25-750 В с последующим охлаждением инструмента до комнатной температуры, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости инструмента, перед очисткой и разогревом поверхности инструмента его помешают ,в насыщенный солевой раствор и выдерживают при температуре растворения соли в течение 5-10 мин, а затем при температуре кристаллизации соли из раствора в течение времени испарения растворителя, причем разогрев поверхности инструмента при очистке ее ионной бомбардировкой осуществляют до температуры разложения соли, после чего снимают напряжение смещения с инструмента и выдерживают его при температуре разложения соли в течение 15-30 с, а затем вновь прикладывают напряжение смещения 80010000 В и продолжают разогрев инструмента ионной бомбардировкой ионами материала катода и токами неметаллических составляющих солей до температуры карбидизации наносимого материала.
2. 2. Способ по п.1, о т л и ч а говд и й с я тем, что, в качестве насыщенного солевого раствора используют раствор простых, комплексных или металлоорганических солей.