Режущий инструмент и способ его изготовления

Режущий инструмент и способ его изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. Режущий инструмент, содержащий инструментальную основу и нанесенное на нее износостойкое покрытие , между которыми расположен подслой из тугоплавких углеродсодержащих соединений, включающих элементы материала покрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости режущего инструмента , он снабжен термостабильным переходным слоем толщиной 0,1-10 мкм, расположенным между основой и подслоем и выполненным из материала основы и элементов материала подслоя и покрытия с возможностью плавного возрастания концентрации указа ных гэлементов от содержания их в материале остювы до содержания в подслое. 2. СпосоС изготовления режущего инструмента, включаюший в себя очистку и разогрев его понсрхност1г бомбардировкой в вакууме 5-КГ -5-10 мм рт. ст. ионами материала катода посредством приложения к инструменту напряжения в последующую конденсацию на очищенную поверхность материала катода при одновременном снижении приложенного к инструменту напряжения и подаче в камеру газа-реагента, отличающийся тем, что, с целью повышения сторЧкости режущего инструмента, очистку и разогрев поверхности проводят сначала ионами материала катода до температуры растворения Б материале основы инструмента основной составляющей газа-реагента , после чего в камеру вводят газреагент, создавая в ней вакуум 6-10 мм рт. ст., и продолжают очистку и разогрев поверхности основы инструмента до температуры карбидизации материала катода, после чего снижают напряжение на режущем инструменте до значения, обеспечиваюи(его конденсацию материала катода с его карбидизацией, одновременно прекращают подачу газа и повышают вакуум в камере до значения 5 -5 10 мм рт. ст., а затем в камеру вновь подают газ-реагент в течение времени формирования покрытия заданной толщинр. 1 (Л СА5 4 1чЭ Х) 4 Ю

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

151) 4 С 23 С 14/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АBTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3467125/18-08 (22) 27,07 ° 82 (46) 07,10.87. Бюл. М- 37 (71) Всесоюзный научно-исследовательский инструментальный институт (72) В. П, у(едь, А. Г ° Гаврилов, А, К. Синельщиков, Е, И. Курбатова, С, Г. Уродовских, И, А. Ординарцев и Г, В ° Лукьяненко (53) 621,9.025(088,8) (56) Патент Швеции М 330470, кл. С 23 С 5/00, 1970.

Заявка Японии М - 52-48585, кл, 12А26, 1973, Заявка ФРГ М - 290187), кл. С 23 С 11/14, 1978, Физика и химия обработки материалов ° — M. Наука, 1979, N - 2, с, 169. (54) РЕЖУЩИЙ ИНСТРУ11ЕНТ И СПОСОБ ЕГО

ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) 1 ° Режущий инструмент, содержащий инструментальную основу и нанесенное на нее износостойкое покрытие, между которыми расположен подслой иэ тугоплавких углеродсодержащих соединений, включающих элементы материала покрытия, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения стойкости режущего инструмента, он снабжен термостабильным переходным слоем толщиной 0,1-10 мкм, расположенным между основой и подслоем и выполненным из материала основы и элементов материала подслоя и покрытия с возможностью плавного воз„„SU„„1342942 А1 растания концентрации ук lçëëíûõ элементов от содержания их в материале основы до содержания в подглое.

2, Способ изготовления режущего инструмента, включающий в гебя очистку и разогрев его поверхнос и, бомбар1 дировкой в вакууме 5 -!Π†5 -10 мм рт. ст. ионами материала катода посредством приложения к инструменту напряжения в последующую конденсацию на очищенную поверхность материала катода при одновременном спижении приложенного к инструменту напряжения и подаче в камеру газа-реагента, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости режущего

Ж инструмента, очистку и разогрев поверхности проводят сначала ионами материала катода до температуры растворения н материале асясям инструмен- C та основной составляющей газа-реагента, после чего в камеру вводят газреагент, соэцавая в ней вакуум 5-10—

6 10 мм рт. ст., и продолжают очист н ку и разогрев поверхности основы инструмента до температуры карбидизации 0С материала катода, после чего снижают напряжение на режущем инструменте до значения, обеспечивающего конден- р сацию материала катода с его карбидизацией, т, одновременно прекраш НоТ подачу газа и повышают вакуум в камере до значения 5 .10 -5 10 мм рт ° ст., а затем в камеру вновь подают газ-реагент в течение времени фор- ф мирования покрытия заданной толщины. Ъе

1342942 инструмента.

Изготовление такого режущего инструмента осуществляется способом осаждения иэ атмосферы пара или гаэа (2), Основными недостатками этого способа являются высокая температура нагрева инструментального материала (материала основы) и значительная длительность технологического цикла, что вызывает разупрочнение основы, 50

Изобретение относится к металлообработке, в частности к режущему инструменту с иэносостойким покрытием и способу его изготовления.

Известен твердосплавный режущий инструмент с износостойким покрытием иэ одного или нескольких карбидов титана, ниобия, тантала, циркония, гафния, ванадия, вольфрама, содержащий расположенный между основой инструмента и износостойким покрытием запирающий подслой иэ материала с низкой скоростью диффузии углерода в нем. 15

Подслой состоит из одного или нескольких металлов первой группы (медь, серебро, золото), одного или нескольких сульфидов (CaS Cu S) или нитридов (BN, ACN). Толщина запирающего подслоя составляет 0,05-2 мкм, преимущественно 0,1 — 1 мкм (11, Недостатком известного режущего инструмента является использование в качестве материала подслоя металлов, в данном случае первой группы, так как они обладают незначительной взаимной растворимостью с материалом покрытия, а следовательно, обеспечивают в основном механический, молеку- З0 лярный или электрический тип связи с покрытием, что приводит к его отслаиванию, Кроме того, они относятся к драгоценным металлам и с1тишком дороги для промышленного использования, не являются изнасостойкими и не обеспечивают работоспособность режущего инструмента после прорыва покрытия, Использование в качестве материала подслоя указанных тугоплавких со40 единений сульфидов (CaS, Cu>S) и нитридов (BN, ACN) также не эффективно, так как они не содержат в своем составе одинаковых элементов с материалом покрытия, а следовательно, не обеспечивают плавного изменения

45 свойств на границе подслой — покрытие, что снижает стойкость режущего охрупчив ание, обе зуглероживание и делает этот способ неприменимым для режущего инструмента, изготовленного из стали °

Наиболее близким к предлагаемому устройству является режущий инструмент, содержащий инструментальную основу и нанесенное на нее износостойкое покрытие, между которыми расположен подслой иэ тугоплавких углеродсодержащих соединений, включающих элементы материала покрытия, Режущий инструмент имеет покрытие иэ соединений титана с углеродом и азотом и подслой из карбонитрида титана. Наличие одинаковых элементов в материалах покрытия и подслоя способствует плавному применению физикомеханических свойств и усилению связи на границе подслой — покрытие (3), Недостатком такого устройства является резкий переход физико-механических свойств на границе основа инструмента — подслой, что снижает его эксплуатационные характеристики и приводит к охрупчиванию и отслаиванию покрытий вследствие возникновения на укаэанной границе термических, упругих и других видов напряжений.

Этому еще более способствует, то, что подслой, полученный газофазным методом, содержит углерод, диффундирующий из материала основы, что вместо усиления связи между ними ведет к обезуглероживанию поверхностного слоя последнего, а следовательно, к его охрупчиванию и снижению режущих свойств инструмента, Наиболее близким к предлагаемому способу является способ изготовления режущего инструмента, включающий в себя очистку и разогрев его поверх5 ности бомбардировкой в вакууме 5 10

5 10 мм рт. ст, ионами материала катода посредством приложения к инструменту напряжения и последующую конденсацию на очищенную поверхность материала катода при одновременном снижении приложенного к инструменту напряжения и подаче в камеру гаэареагента (4), Основным недостатком эчого известного способа является низкая стойкость изготовленного им инструмента, Это связано с тем, что процесс очистки осуществляется в вакууме бомбардировкой только ионами материала катода, которая обеспечивает присут1342942 ст вне в паве рхнастных cлоs1x материала основы металлических составляющих материала покрь!тия и падслоя, но не позволяет сформировать термостабиль5 ный переходной слой и обеспечить введение в его состав компонентов глзлреагента, Это ослабляет связь на границе основа — подслой и снижает стойкость инструмента, Кроме того, 10 в известном способе в поверхностных слоях инструментального материала не достигается температура карбидизации материала катода, чта ведет к отсутствию в составе поверхностного слоя )5 и подслоя термостабильных фаз (карбидов, карбонитридов, оксинитридов, аксикарбонитридов и пр.).

Известный способ не позволяет получить подслой заданной толщины, 20 так как формирование ега происходит на стадии очистки и контролируется конечной температурой разогрева поверхности режущего инструмента, что осложняет запланированное увеличение 25 или уменьшение его тот!.ц!!ны в пределах этой операции, особенна в глучяе проведения ее ионна!! бомбардировкой в импу:!ьснам режиме, который широко используется в процес е очистки режу в 30 щего инструмента, изготовленнога из стали, Полное павтареш!е стадии очистки с целью увеличения толщины подслоя сопровождается частичным разупрочнением режущей кромки и потерей

35 инструментом режущих свойств, Цель изобретения — повышение стойкости режущего инструмента.

Поставленная цель достигается тем, что режущий инструмент садерВ 40 жащий инструментальную основу с нанесенным на нее износостойким покрытием, между которыми расположен падслой из тугоплавких углеродсадержащих соединений, включающих элементы ма45 териала покрытия, снабжен термостабильным переходным слоем толщиной

0,1-10 мкм, расположенным между основой и подслоем и выполненным из материала основы и элементов мятери50 ала подслоя и покрытия с возможностью плавного возрастания концентрации указанных элементов от содержания их в материале основы до содержания в подслое.

Режущий инструмент изготавливает55 ся согласно способу, включающему очистку и разогрев его поверхности бомбардировкой в вакууме 5 10 —

3 10 7 мм рт, ст, иа!!лми мл торил ! катода посредствам прила кения к струменту напряжения и паследуюшую канденгацию на очищенную поверхность материала катода пр!! адн< време!сном сн1!жении прилаженного к инструмен fó напряжения и подаче в камеру газареагента, при этом очистку и разагреEE поверхности проводят гначалл ионами материала катода да тсмперлтуры растворения в материале основы инструмента основной сагтавляюшей газа-реагента, по!ле чего в камеру вводят гяз-реягент, создавая н ней вакуум 5 10 " -6 10 мм рт. ст., и продолжают очистку и разогрев поверхности асновя инf fрументя Eа температуры кярбидизлпии матер!!ял1! катода, после чего снижл! т напряжение нл режущем инструменте !о значг!иия, обеспечивающего конденсацию млтериала катода ". его клрб!!!!и !лцией, п;Еповременно !!рекрлщают подачу лзл и повышя!от вл:ió гм в клмере да зняче—

1 ш!я 5 10 . — > 1(Г мм рт, ст., а зятем в камеру вновь подают глз-реягент

B течение време!!!E фарм!!равлния покрытия задан!!а!! талщи!!ы, Ila фиг ° 1 представя нл схема известнога режущего инструментл, попе— речный разре 3; нл фиг, 2 — tî же, преп.!агаемага режушг га !1нструмг!!тл, поперечный разрез, Режущий инструмеHT состоит из основы 1 с нанесенным ЕЕа ее паверхногть износостайким покрыл ием ", распала— женнога между ними поде!ая 3 и сформированного между а1навай и падслоем переходнога слоя 4.

Устройство работает следующим образом, В процессе резания в материале покрытия 2, обладающем з!!ачительнай твердостью, возникают высокие термические, упругие и пластические напряжения. С помощью переходного термостабильного слоя 4 они передаются более пластичному материалу основы, в которой происходит их релаксация.

Этому способствует конструктивное расположение перехаднога слоя между основой и подслоем, чта «Ее приводит к появлению дополнительной границы раздела в конструкции устройства, нарушающей ее монолитность, Кроме того, присутствие в составе переходного слоя элементов падгз!оя и покры—

1342942 гия ведет к появлению химической связи между материалом основы и подслоя, а выполнение переходного слоя с воэможностью плавного возрастания кон5 центрации элементов материала подслоя и покрытия от содержания их в материале основы до содержания в подслое позволяет осуществить плавный переход физико-механических свойств

1О между материалом Основы и подслоя, что способствует передаче напряжений, возникающих в материале покрытия в процессе резания, более пластичному материалу основы без концентрации их на границе основа — подслой.

Кроме того, описанное выполнение переходного слоя обеспечивает его термостабильность в процессе резания эа счет Ослабления диффузионных проси цессов на его границах из-за отсутствия на них градиента концентрации элементов подслоя и покрытия, а также наличия в его составе термодинамически стабильных фаз, например 5

TiC, TiN, Ре.тi и других, полученных при взаимодействии материала катода с углеродом и легирующими элементами материала основы, а также с составляющими газа-реагеoòà и различными при- gp м сями в камере, и расположенных послойно и хаотично по толщине переходно1 О с.-(ая. Все ьто позволяет последнему сохранить er о заданную толщину на протяжении всего процесса работы .35 покрытия и Uбе спечить высокую стойкос гь режущего инструмента.

Присутс.твие в переходном слое тугоплавких карбидообразующих металлонь входящих в сОстав пОдслОя и пО крытия (например, титана, молибдена и пр.), увеличивает в его составе концентрацию углерода, что предотвращает обезуглероживание поверхностных слоев материала основы при достижении температуры их карбидизации и инициирования диффузионного потока углерода из основы в подслой, а также основных легирующих элементов материала основы (V, М, Мо, С:), 50 которые могут частично переходить в подслой, что еще более усиливае т связь на границе основа — подслой и повьпиает стойко стные характеристики инструмента, 55

Максимальный эффект использования предлагаемого устройства достигается при определенной толщине переходного слоя, равной 0,1-10 мкм, уменг-,шение или увеличение которой приводит к снижению стойкости инструмента. Это объясняется тем, что при значении толщины переходного слоя ниже О,1 мкм осуществляется не плавный, а скачкообразный переход физико-механических свойств между

I материалом основы и подслоя. При значении толщины более 10 мкм нарушается монолитность конструкции, Сущность способа изготовления предложенного режущего инструмента заключается в следующем.

Режущий инструмент (например, сверла, твердосплавные и керамические режущие пластины и др,) располагают в камере, вакуированной до значения э !0 - -5 .10 мм рт. ст,, проводят очистку его поверхности с разогревом бомбардировкой ионами материала катода до температуры растворения и инструментальном материале основы основной составляющей газа-реагента.

В этот период начинают формировать переходной слой и подслой. Высокая скорость ионизированных частиц материала катода, обусловленная вакуумной средой, способствует образованию на поверхности инструмента локальных участков подслоя различной толщины от ангстремных одноатомных слоев до нескольких микрон, В то же время непрерывный разогрев поверхности до температуры растворения основной составляющей газа-реагента способствует зарождению в поверхностных слоях переходного слоя как за счет внедрения в них ионов материала катода, так и за счет активации его диффузии вглубь инструментального материапа. В то же время в подслое указанное повышение температуры интенсифицирует процесс коалесценции (срастания конденсированных областей), что способствует выравниванию его толщины на поверхности инструмента °

При достижении температуры растворения газа-реагента в инструментальных материалах основы в камеру направленно вводят газ-реагент до

-г создания в ней вакуума э 10 -6 10 мм рт, стьь после чего продолжают процесс очистки поверхности режущего

\ инструмента с ее дальнейшим разогревом ионами материала катода и газареагента. Введение газа-реагента

1342942 8 снижает скорость конденсации материа- ности и снижения ее по глубине, что ла катода, что позволяет контролиро- способствует выраннинанию градиентон вать толщину его слоя на инструменте концентрации элементов подслоя и по-, за счет различной степени вакуума, крытия на границах переходного слоя а также создавать н его составе фазы и образованию н его составе терморазличного состава в зависимости от стабильных фаз, используемого газа-реагента> матери- После этого н камеру опять подаала катода и всевозможных примесей в ют газ-реагент и выдерживают инструкамере. Причем направленная подача 10 мент в указанных условиях н течение газа-реагента относительно потока времени, необходимого для конденсаматериала катода позволяет регулиро- ции покрытия заданной толщины ° вать расположение указанных фаз как В процессе очистки и разогрева в подслое, так и в переходном слое поверхности инструмента ионной бомпослойно, хаотично и т,д, бардировкой в присутствии газа-реаДальнейший постепенный разогрев гента при значении накуума н камере поверхности до температуры карбиди- менее 5 10 мм рт ° ст. свойства резации способствует усилению равно- жущего инструмента значительно снимерного диффузионного потока и сос- жаются, Это объясняется тем, что тавляющих газовой смеси в глубь ре- при этих значениях вакуума электро20 жущего инструмента, что ведет к уне- дуговой разряд, используемггй в ге. .— личению толщины переходного слоя и нологическсм процессе, переходит в плавному распределению в нем элемен- тлеющий, при этом степень ианизации тов подслоя и покрытия. плазмы уменьшается, что снижает проПри достижении в поверхностных 25 никающую способность ионов и их кослоях инструмента температуры кар- личестно> оптимальная толщина перебидизации материала катода формирона- ходного слоя ие достигается и с той> ние переходного слоя и подслоя про- кость режущего иггструмента сиижаводится с использованием диффузион- ется. ного влияния материала основы при При значении вакуума и камере бо-5 постоянной температуре. В этот мо- лее 6 10 мм рт. ст, стойкость инмент подача газа-реагента прекращает- струмента также снижается, так как ся, снижается величина напряжения, при таком вакууме прис> тстние газаприложенного к инструменту, и проно- реагента н камера практически исклюдится откачка газа-реагента иэ ка- чается и таким образом не обеспечимеры до достижения н ней вакуума

35 вается содержание его элементов в

5 - lp -5 10 мм рт, ст, На данном составе переходного слоя, что недет этапе процесса рост подслоя контро- к снижению связи на границе переходлируется скоростью откачки остаточных ной слой — подслой, газов из камеры, что непосредственно Пример, Предлаг аемым спосо40 связано со скоростью осаждения мате- бом изготавливают спиральные сверла риала катода и его соединений, При 5 мм из быстрорежущей стали, соэтом осаждение их происходит при держащей, мас,л: С 0,80-0,88; Cr 3,8температуре карбидизации, что иници- 4,4; W 5,5-6,5; Мо 5,0-5,5; V 1,7ирует поток углерода иэ инструмен- 2>1; остальное железо, тального материала в подслой и поз45 воляет получать н его составе преобВ качестве катода используют ти(av, tIo est у Р ане ия н Рхно карбида титана), которые в сочетании сверл загрязнений их азме ают в р, р з шают в с материалом покрытия одновременно специальных кассетах и заг жают и ружают и нижают знос нструмента по задней поверхности и процесс лункообразовадостижении вакуума 5 Ip - мм т ° ст, уум р ° ст, к сверлам прикладывают напряжение ния в пределах однослойного покрытия. 1500

15 0 В и в пространство между ними

В этот период времени н переход- и катодом зажигают электродуговой ном слое также осущестнляется карби- 55 Разряд, Проводят очистку поверхности диэация материала катода, скорость сверл бомбардировкой ионами титана с потока которого в глубь инструмента разогревом до 200 С, При этой темпепостепенно снижается, вследствие по- ратуре начинается процесс растворения стоянной температуры нагрева понерх- в стали основой составляющей газа1 342942

10 режущего инструмента по сравнению с известным не менее, чем в 2-5,4 раза, @иа 2

Составитель И. Николаева

Редактор Н, Гунько Техред М.Дидык Корректор М. Демчик!

Заказ 4606/26 Тираж 936 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r ° Ужгород, ул. Проектная, 4 реагента, в качестве которого используют технический азот ° По достижении указанной температуры, величину которой контролируют инфракрасным пирометром с точностью +10 С, в ка— меру вводят азот до достижения величины вакуума 3 !О мм рт. ст, и проводят ионную бомбардировку титаном и азотом до 520 С, при которой в ста- 10 ли происходит карбидизация внедренного материала катода (титана).

В процессе проведения указанных операций формируется переходной слой и частично подслой, 1В

После этого напряжение, приложенное к сверлам, снижается до 250 В и подачу азота прекращают.

Осуществляют конденсацию титана, сопровоЖдающуюся его карбидизацией эб за счет углерода инструментального материала и газов в камере в течение процесса откачки камеры до первоначального значения вакуума 5 10 мм рт, ст ° После чего в камеру опять подают азот, причем значение вакуума достигает 3-1 10 мм рт, ст,, и проводят осаждение покрытия из нитрида титана в течение 1 ч, что обеспечивает толщину покрытия 5-6 мкм.

После этого напряжение со сверл снимают и дуговой разряд выключается.

Сверла охлаждают в камере до комнатной температуры, после чего их вынимают из камеры и подвергают стойкостным испытаниям, Технико-экономическая эффективность предлагаемого режущего инструмента и способа его изготовления заключается в повышении стойкости