СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА И ДЕТАЛЕЙ Российский патент 1994 года по МПК C23C14/32 

Изобретение относится к технологии нанесения износостойких покрытий и может быть использовано при изготовлении инструмента и изделий из конструкционных, быстрорежущих и легированных инструментальных сталей, для упрочнения деталей топливной аппаратуры, штамповой оснастки, медицинского инструментария и т.п.

Известен способ газовой закалки инструмента и деталей в вакуумных печах, при котором осуществляется предварительная очистка поверхности изделия от загрязнений, нагрев его в вакууме до температуры выше точки Ас₃ на 30^о, выдержка при этой температуре и охлаждение в потоке инертного газа. Преимущество закалки в вакуумных печах перед закалкой в масле заключается в получении чистых светлых поверхностей без окислов и обезуглероживания, упразднении в большинстве случаев операций правки и доводки после термообработки, исключение вредных экологических воздействий на окружающую среду [1].

Недостатком известного способа является то, что он не повышает износостойкости обрабатываемого инструмента и деталей.

Известен способ упрочнения термически обработанных изделий с предварительно обработанными в размер поверхностями, при котором применяются вакуумные плазменные покрытия, получаемые методом КИБ на установках "Булат". Износостойкие покрытия формируются из монослойных или многослойных пленок нитридов титана, молибдена, хрома и др. тугоплавких металлов IV-VI группы Периодической системы элементов. Наиболее распространенным материалом при упрочнении методом КИБ является нитрид титана. Высокая микротвердость и антифрикционные свойства TiN обеспечивают упрочненному изделию повышенные эксплуатационные свойства, например стойкость инструмента для обработки металлов возрастает в 1,5-5 раз в зависимости от режимов обработки и материала обрабатываемой детали. Этот способ широко применяется для упрочнения инструмента из быстрорежущих сталей, прошедших термическую обработку закалкой и твердых сплавов [2].

Недостатком известного способа является невозможность его использования для упрочнения инструмента, материал которого имеет температуру отпуска ниже 300^оС.

Указанная цель достигается тем, что способ упрочнения инструмента и деталей из инструментальной, низколегированной конструкционной и быстрорежущей сталей, включающий нанесение износостойких покрытий из нитридов тугоплавких материалов IУ-УI групп Периодической системы элементов и термообработку, при этом износостойкие пленки наносятся методом КИБ на изделия при температуре основы 400-800^оС для проведения закалки, а последующая закалка (охлаждение) ведется в инертной газовой среде. Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый способ отличается тем, что износостойкие пленки наносятся методом КИБ на изделия при температуре основы 400-800^оС до проведения закалки, а последующая закалка (охлаждение) ведется в инертной газовой среде.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

На инструмент или деталь методом КИБ наносится пленка нитрида тугоплавкого металла до проведения операции закалки и отпуска. После нанесения пленок закалка изделий производится в печах с вакуумным нагревом и последующим охлаждением в потоке азота или другого инертного газа. Температура нагрева инструмента или деталей при нанесении износостойких покрытий не влияет на его окончательные прочностные свойства и может быть выбрана оптимальной для обеспечения прохождения плазмохимической реакции при осаждении пленок нитридов. Эта температура при нанесении пленок TiN и др. нитридов для обеспечения достаточных адгезионных связей пленки и основы превышает 400^оС. Конечное значение прочностных свойств изделия с предварительно нанесенной пленкой нитридов приобретают после операции закалки.

Предложенный способ реализовали на ручных ножовочных полотнах по металлу. Материал полотен - сталь Х6ВФ. Температура отпуска 180^оС. Ножовочные полотна после штамповки и формирования режущих элементов подвергаются нанесению пленки нитрида титана на установке ННВ-6,6-И1 в вертикальном свободном положении. Напылению предшествовала очистка полотен от загрязнений в растворе моющего средства КМ-1. Ионная очистка и нагрев проводились титановыми катодами при токе катодов 80 А. Ток фокусирующих катушек 0,2 А, стабилизирующих катушек 0,6 А, напряжение на инструменте 1000 В. Вакуум в камере напыления 5˙ 10^-5 мм рт.ст. Время нагрева до 650^оС 10 мин. Напыление нитрида титана производится при опорном напряжении 250 В, токе катодов 80 А и давлении азота 8˙ 10^-4 мм рт.ст. Напыленные полотна охлаждаются в вакууме до 200^оС. Время напыления 25 мин. Толщина покрытия составляет 3,5-4 мкм. После напыления полотна изымаются из камеры установки ННВ-6,6-И1 и без дополнительной очистки помещаются в нагревательную камеру установки СЭВ 5,5/11,5-И2. Давление в камере доводится до 1˙ 10^-1 мм рт.ст., после чего включается нагрев. Время нагрева полотен до 980-1000^оС составляет 1,5 ч. Время выдержки при температуре закалки составляет 10 мин. По окончании выдержки нагрев печи отключается и полотна перемещаются в камеру охлаждения, в которую подается газообразный азот высокой степени очистки 0,9999%. Циркуляция азота осуществляется с помощью вентилятора. Давление азота в камере ≅ 0,5 кгс/см². Полотна охлаждаются до 80-100^оС, после чего изымаются из установки. После закалки полотна подвергаются отпуску в электропечи при 160-180^оС в течение 2 ч в атмосфере воздуха.

Упрочненные нитридом титана и закаленные в среде азота полотна подвергались стойкостным испытаниям. Увеличение стойкости составило в среднем 1,7-1,8 раза по сравнению с полотнами, подвергшимися закалке в среде азота, но без предварительно нанесенного слоя TiN. Аналогичным способом упрочнялись полотна с помощью CrN, MoN. Увеличение стойкости по сравнению с неупрочненными полотнами составляло 1,3-1,4 раза.

Использование предложенного способа для упрочнения инструмента или деталей повышает стойкость и износоустойчивость в 1,8-2,2 раза по сравнению с неупрочненными, позволяет снизить требования к степени очистки закалочного газа, так как слой нитридов защищает закаливаемую поверхность от окисления, дает возможность отказаться при отпуске от печей с защитной атмосферой.

Использование: изобретение относится к технологии нанесения износостойких покрытий и может быть использовано при изготовлении инструмента и изделий из конструкционных, быстрорежущих и легированных инструментальных сталей, для упрочнения деталей топливной аппаратуры, штамповой оснастки, медицинского инструментария и т.п. Сущность изобретения: повышение износостойкости обрабатываемого инструмента и деталей с температурой отпуска ниже 300°С достигается за счет того, что нанесение износостойких покрытий из нитридов тугоплавких материалов IV - VI групп Периодической системы элементов и термообработку, а износостойкие пленки наносятся известным методом на изделия при температуре основы 400 - 800°С до проведения закалки, а последующая закалка (охлаждение) ведется в инертной газовой среде. 1 з.п. ф-лы.

1. СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА И ДЕТАЛЕЙ в вакууме, включающий закалку и нанесение износостойких покрытий из нитридов тугоплавких металлов IV - VI групп конденсацией с ионной бомбардировкой и последующую термообработку, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости обрабатываемого инструмента и деталей с температурой отпуска ниже 300^oС, закалку проводят после нанесения износостойких покрытий, причем нанесение износостойких покрытий осуществляют при температуре основы 400 - 800^oС, а охлаждение в процессе закалки проводят в среде азота или инертного газа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после закалки проводят отпуск при 160 - 180^oС в атмосфере воздуха.