СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ПОКРЫТИЙ Российский патент 1997 года по МПК C23C14/28 C23C14/58 

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к холодной и горячей механической обработке металлов, в частности к методам увеличения изностостойкости режущего инструмента.

Известен способ [1] увеличения износостойкости твердосплавного режущего инструмента на основе монокарбида вольфрама путем нанесения износостойкого покрытия, состоящего, например, из карбида или нитрида титана. Способ позволяет увеличить износостойкость твердосплавного режущего инструмента в несколько раз.

Известен также способ увеличения износостойкости твердосплавного режущего инструмента на основе монокарбида вольфрама путем имплантации ионов азота или гелия из импульсного источника [2]
Наиболее близким к заявляемому способу является способ обработки твердосплавного режущего инструмента (твердый сплав Т5К10) на основе монокарбида вольфрама путем воздействия одним из видов ионизирующей радиации - пучком протонов высоких энергий (начальная энергия протонов E_p 6,3 МэВ, интегральный поток Φ_p 4•10¹⁴см^-2) [3]
Недостатками известных способов являются:
недостаточное (в среднем в 2,5 раза) увеличение износостойкости по сравнению с прототипом (максимальное увеличение износостойкости в 9 раз);
необходимость использования уникального дорогостоящего оборудования - импульсного ускорителя ионов;
необходимость использования уникального дорогостоящего оборудования - ускорителя заряженных частиц высоких энергий (циклотрона), остаточная радиоактивность обрабатываемого инструмента, отсутствие увеличения износостойкости у режущих пластин с покрытием из карбида титана, что показано, в частности, испытаниями в АЗЛК режущих пластин из твердого сплава марки МС 3210, большая длительность процесса облучения порядка нескольких часов.

Целью настоящего изобретения является предупреждение возникновения остаточной радиоактивности, повышение экономичности способа и увеличение износостойкости покрытий за счет их упрочнения.

Поставленная цель достигается тем, что упрочнение осуществляют дозами - излучения от 60 до 6000 рентген.

Положительный эффект настоящего изобретения проявляется:
в том, что появляется возможность использования простого оборудования - радиоактивных изотопов источников γ излучения: ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs с энергиями g квантов ≈ 0,7 1,2 МэВ, не вызывающими наведения остаточной радиоактивности;
в том, что появляется возможность существенно уменьшить время воздействия, снизив его до нескольких секунд;
в том, что износостойкость режущих пластин с покрытием из карбида титана TiC в 4,5 раза превышает износостойкость пластин без покрытия.

Сущность заявленного изобретения поясняется нижеследующим описанием.

Нами экспериментально установлено на примере режущих пластин из твердосплавных материалов на основе монокарбида вольфрама, что при облучении их электронами, протонами и a частицами высоких энергий и g квантами действует один и тот же механизм увеличения износостойкости ионизационный, обусловленный разрывом напряженных связей в материале.

Нами экспериментально установлено с помощью рентгеновских измерений, что воздействие g излучения на однослойные (карбид титана TiC) и многослойные (Al₂O₃ Ti₂CN TiN) износостойкие прорытия улучшает структуру последних и уменьшает величину остаточных микронапряжений в них. Прямыми испытаниями режущих пластин на износостойкость и срок службы показано, что в воздействие g излучения повышает коэффициент стойкости режущих пластин до 1,7 2,0 раз. Ниже в таблице 1 приведены некоторые результаты рентгеновских измерений, характеризующих результаты воздействия g - излучения на свойства износостойких покрытий состава Al₂O₃ - Ti₂CN TiN. Их анализу необходимо предпослать следующие замечания.

Структура, фазовый состав и механические напряжения в износостойких покрытиях состава Al₂O₃ Ti₂CN TiN исследовались с помощью рентгеновского дифрактометра в Fe K_α излучения с графитовым монохроматором.

Совершенство структуры слоев покрытия (размер областей когерентного рассеяния D_окр) оценивалось по уширению дифракционных отражений под малыми брегговскими углами по формуле:
Д_окр = λ/bcosθ (1)
где b физическое уширение в радианах, θ угол диффракции, l - длина волны рентгеновского излучения.

Уровень микронапряжений (e) рассчитывался по уширению дифракционных отражений под большими брегговскими углами по формуле:
e = b/4thθ (2)
Физическое уширение b было получено как разность экспериментально измеренного уширения дифракционного отражения на половине его высоты B_h/2 и геометрического уширения β которое оценивалось в результате рентгеновской съемки в тех же условиях совершенного эталона, в качестве которого был использован кремний. Величина b для углового интервала 2θ 45 46 угловых градусов составляла 15 угловых минут, а для 2θ 79 80 угловых градусов, соответственно, 20 угловых минут.

Макродеформацию (E) измеряли по изменению межплоскостных расстояний (d), наблюдаемых дифракционных отражений для исследуемых соединений по сравнению с табличными или при сравнении различных образцов, так как состав пленок мог не точно отвечать стехиометрическим фазам по формуле:

Анализ уширения и формы профиля дифракционных отражений для каждого их слоев (таблица 1) дает основания утверждать, что непосредственно после осаждения слои окиси алюминия и карбонитрида титана обладают одинаковым совершенством (размер D_окр 500 в обоих случаях), незначительным уровнем макронапряжений. Уровень микронапряжений в слое окиси алюминия в 2 раза больше, чем в слое карбонитрида натрия и равен 1,2•10^-3 и 0,6•10^-3, соответственно.

Отражения под большими брегговскими углами особенно для слоя карбонитрида отличаются четко выраженной асимметрией со стороны больших углов. Такого рода асимметрия связана с формированием нестехиометрического карбонитрида титана и его расслоением с образованием TiN и TiC и переходом избыточного веса в слой Al₂O₃, в результате чего и формируется наблюдаемое соединение Al₁₁O₁₅N.

Во всех исследованных случаях облучение приводит к уменьшению уширения дифракционных отражений, что связано с увеличением совершенства структуры слоев.

Уменьшение уширения отражений под малыми брегговскими углами связано с ростом размеров областей когерентного рассеяния от 500 до более 2000 Уменьшение уширения рентгеновских отражений под большими углами в большей степени выражено для слоя оксинитрида алюминия, чем для слоя карбонитрида титана, хотя характер изменений аналогичен. Уровень микронапряжений в слое Al-O-N в результате облучения уменьшается от 1,2•10^-3 до 0,3•10^-3, а в слое Ti-N-C от 0,6•10^-3 до 0,5•10^-3. При этом асимметрия отражения под углом возрастает, то есть облучение стимулирует процесс выделения нитрида титана из карбонитрида.

Влияние дозы облучения на уширение дифракционных отражений представлено в табл. 1. Уширение дифракционных отражений для обоих слоев с увеличением дозы облучения изменяется немонотонно. Наиболее четко уменьшение уширения как под малыми, так и под большими брегговскими углами наблюдается для отражения от слоя оксинитрида алюминия в результате облучения дозами 200 600 P. При меньших и больших дозах наблюдается некоторое увеличение уширения и его стабилизация.

Наблюдается менее четкая зависимость уширения дифракционных отражений от слоя карбонитрида титана от дозы облучения. Для отражений под малыми углами характер изменения тот же, что у слоя оксинитрида алюминия: минимальное уширение наблюдается при дозе облучения равной 600P. Минимальное уширение отражений под большими брегговскими углами наблюдается после облучения дозой 600 P, причем этот минимум выражен в гораздо меньшей, что вероятно может быть связано с вкладом в уширение этого отражения процессов фазообразования.

Таким образом, согласно рентгенодифрактометрическим данным, оптимальный интервал доз γ излучения составляет 200 600 рентген.

Эти рентгеновские данные были проверены прямыми испытаниями режущих пластин с нанесенными на них износостойкими покрытиями на износостойкость и срок службы.

Пример 1. Режущие пластины, изготовленные из твердого сплава марки МС 146, с нанесенным на них покрытием из карбида титана TiC (марка пластин -МС 1460) были подвергнуты воздействию g излучения от изотопа ¹³⁷Cs с энергией 661 кэВ, интенсивностью 10² Р/с и дозами 6•10², 6•10³ и 6•10⁴ рентген.

Испытания на износостойкость проведены на Московском комбинате твердых сплавов (МКТС). Обрабатываемый материал сталь 50. Обработка проводилась на станке модели 1М63. Скорость резания V составляла 150 м/мин, подача s 0,20 мм/об, глубина резания t 1,0 мм. Зависимость времени работоспособности (t_p) от дозы облучения g квантами представлена в таблице 2. В связи с тем, что, как следует из табл.2 при Д_γ 6•10³ рентген, t_p 0,85 t_p макс. а при Д_γ 6•10⁴ рентген, t_p -0,42 t_p макс. в качестве рабочего диапазона доз облучения целесообразно принять интервал 6•10² 6•10₃ рентген.

Пример 2. Пластины марки МАЗ (основа твердый сплав марки МС 321, содержащий (в мас. ): монокарбида вольфрама WC 92, карбидов тантала и ниобия (TaNb)C 1,2, карбида ниобия NbC 0,8, кобальта 6, многослойное износостойкое покрытие состава Al₂O₃ Ti₂CN-TiN) были подвергнуты воздействию g излучения от двух источников ¹³⁷Cs с двумя интенсивностями (J); J₁ 10² Р/м, J₂ ≈ 5Р/с.

Сравнительные производственные испытания режущих пластин были проведены на АООТ ММП им. В.В.Чернышева. Испытания проводились на токарном станке с ПУ модели 1740 РФ при обработке деталей "Цилиндр" мотокультиватора "Крот". Материал детали-отбеленный чугун ПЧ. Операция проточка торца. Режимы резания: V 250 м/мин, n 800 об/мин, S 0,125 м/об, число проходов i 2. Глубина резания: 1-й проход t 1,5 мм, 2-й проход t 0,5 мм. Токарная обработка проводилась без охлаждения. Испытывались все режущие кромки четырехгранной режущей пластины. Результаты испытаний представлены в таблице 3. Согласно табл. 3, интервал доз, в котором гамма облучение увеличивает стойкость от 30% до 2 раз, составляет 60 600 рентген.

Итак, на основании результатов испытаний, приведенных в примерах 1 и 2, можно утверждать, что рабочий интервал доз g излучения простирается от 60 до 6000 рентген.

Предлагаемое изобретение проверено нами экспериментально на примере износостойких покрытий, состоящих из карбидов, нитридов и карбонитридов титана (TiC, TiN, Ti₂CN) и окиси алюминия Al₂O₃. Поскольку, как отмечалось выше, ионизационный механизм упрочнения применим к любым материалам, предлагаемый способ может быть распространен на любые покрытия, в частности, на антикоррозионные, теплостойкие и декоративные.

Источники информации
1. Производство МКТС ТУ-48-19-310-80.

2. Влияние ионной имплантации на характер износа поверхности твердого сплава.(Н.В. Плишивцев, А.А.Козьма, О.В. Соболь и др.// Поверхность. Физика, химия, механика. 1991. N 3. С. 136 141.)
3. Упрочнение твердосплавного режущего инструмента лазерным и радиационным излучением (В.Н.Подураев, А.В. Диваев, А.Э.Сенченко, В.В.Шемаев// Станки и инструмент. 1990, N 9, с. 18 20. (Прототип).

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к методам увеличения износостокости режущего инструмента. Способ упрочнения покрытий включает воздействие на поверхность лозами гамма - излучения от 60 до 6000 рентген. 3 табл.

Способ упрочнения покрытий путем воздействия ионизирующей радиации, отличающийся тем, что воздействие ведут дозами гамма-излучения 60 6000 Р.