СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ Российский патент 1996 года по МПК C23C14/00 C23C14/26 

Изобретение относится к покрытиям металлических материалов, в частности к способам повышения износостойкости режущих инструментов за счет нанесения покрытий, обладающих высокой износостойкостью в сочетании с достаточной прочностью и вязкостью, и может найти применение в машиностроении, в том числе для пищевой промышленности.

Известны способы упрочнения режущих инструментов, заключающиеся в том, что на предварительно подготовленную поверхность режущей кромки наносится износостойкое покрытие из нитрида титана, при этом образуется переходная зона между поверхностью инструмента и покрытием, величина которой влияет на сцепление покрытия с материалом инструмента.

Недостатком данного способа является то, что такой способ требует нагрева покрываемого инструмента, а с ростом температуры увеличивается толщина переходной зоны, что приводит к снижению прочности покрытия.

Известны другие способы упрочнения инструментов, которые включают закалку, отпуск, ионное азотирование, а затем нанесение нитрида титана.

Однако данный способ имеет недостатки, так как ионное азотирование приводит к остаточным напряжениям, влияющим на несовершенство кристаллической структуры. Кроме того, ионное азотирование приводит к образованию в поверхностном слое нитридных соединений азота с основными компонентами стали, имеющих разные кристаллографические параметры.

Наиболее близким технологическим решением является способ упрочнения, который включает предварительную закалку и отпуск с последующим ионным азотированием и нанесением слоя нитрида титана.

Недостатком данного способа является то, что температура, при которой происходит ионное азотирование, приводит к остаточным напряжениям, влияющим на несовершенство кристаллической структуры.

Целью изобретения является повышение прочности нанесения покрытия с улучшением технологичности процесса покрытия.

Цель достигается тем, что в предлагаемом способе режущий инструмент, предварительно закаленный и отпущенный, подвергается предварительной обработке потоком атомов и ионов титана в вакууме, которые получаются при распылении мишени из титана потоком первичных ионов аргона, и одновременным нанесением промежуточного покрытия из титана, а затем нанесения окончательного покрытия нитрида титана методом вакуумного плазменного напыления.

Распыляемые частицы имеют значительно большую кинетическую энергию, чем при термическом испарении, в результате чего происходит разрушение загрязнений на поверхности инструмента адсорбированных пленок без повышения температуры инструмента. Кроме того, происходит стимулирование равномерного зародышеобразования при конденсации распыленных частиц титана, а также внедрение распыленных частиц в глубину поверхности режущего инструмента. Глубина проникновения распыленных частиц определяется их кинетической энергией и температурой.

Так, если энергия распыления частиц порядка 2-100 эВ, а температура тела инструмента порядка 293 К, то глубина проникновения порядка 10-20 А. При дальнейшем распылении мишени из титана происходит конденсация атомов и ионов титана на поверхности инструмента. Покрытие, получаемое за счет распыленных вторичных частиц в вакууме, получается мелкозернистым, с большей плотностью, чем при других способах, высокой равномерностью по толщине. Толщина сконденсированного слоя определяется режимом распыления и временем конденсации.

Можно получить промежуточное покрытие толщиной 0,01-0,02 мкм. На промежуточное покрытие из титана наносится покрытие из нитрида титана методом вакуумно-плазменного напыления, толщиной порядка 3-5 мкм.

При такой последовательности нанесения покрытий, основного и промежуточного, переходная зона порядка 0,012-0,022 мкм, что существенно меньше, чем при других методах (0,3-0,4 мкм).

На чертеже представлена принципиальная схема установки для нанесения покрытия нитрида титана на режущий инструмент с промежуточным покрытием из титана, получаемым методом конденсации распыленных вторичных частиц в вакууме.

Схема содержит вакуумную камеру 1, первичный источник 2 ионов аргона, пучок 3 первичных ионов аргона, баллон 4 с азотом, игольчатый вентиль 5 для регулировки давления азота, вакуумно-дуговой источник 6 паров титана, поток 7 паров титана, распыляемую мишень 8 из титана, поток 9 ионов и атомов титана, распыляемых из титановой мишени, режущий инструмент 10, 11 направление к вакуумному насосу.

Закаленный при t 1363±10 K и охлажденный в аргоне режущий инструмент из стали 50Х15М1ФС отпускается до t 893±10 K. Затем режущая кромка закаляется дополнительно при t 1363±10 K и отпускается при t 773±10 K. При термообработке режущий инструмент помещается в вакуумную камеру, которая имеет систему получения потока распыленных атомов и ионов титана и вакуумно-дуговой источник осаждения нитрида титана. При достижении давления в вакуумной камере 1,33•10^-3 Па включается ионный источник ионов аргона. Энергия ионов аргона 10•10³ эВ, ток 0,3 А, диаметр пучка 100 мм. Ионы аргона распыляют мишень диаметром 120 мм из титана. Поток ионов и атомов титана формирует на поверхности режущего инструмента покрытие из титана толщиной 0,01-0,02 мкм. После получения покрытия из титана толщиной 0,01-0,02 мкм включается ионный источник и с помощью вакуумно-дугового источника паров титана при давлении азота в камере (2,66•3,99)•10^-1 Па производится осаждение нитрида титана толщиной 3-5 мкм. После нанесения покрытия режущий инструмент охлаждается в вакуумной камере до комнатной температуры.

Использование: изобретение относится к металлургии, в частности к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент. Сущность изобретения: с целью повышения прочности покрытия и улучшения технологического процесса закаленный и отпущенный инструмент обрабатывается потоком вторично распыленных атомов и ионов титана с последующим нанесением основного слоя нитрида титана методом ионно-плазменной технологии. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ повышения износостойкости режущих инструментов, включающий предварительную термообработку инструмента и его режущей кромки, нанесение промежуточного слоя и покрытия из нитрида титана, отличающийся тем, что промежуточный слой наносят катодным распылением мишени из титана ионами инертного газа при энергии вторично распыленных атомов и ионов титана 2 100 эВ до толщины слоя, составляющей 0,2 0,7% от толщины основного покрытия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанесение промежуточного слоя основного покрытия осуществляют в одной вакуумной камере.