СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ НА РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ Российский патент 2003 года по МПК C23C14/06 B23C5/06 

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.

Известен способ нанесения износостойкого покрытия на режущий инструмент (РИ), при котором на его поверхность вакуумно-дуговым методом наносят покрытие из нитрида титана (TiN) или карбонитрида титана (TiCN) (см. Табаков В. П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана. Ульяновск: УлГТУ, 1998. 122 с.). К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе покрытия, обладающие хорошей адгезией к инструментальному материалу, имеют относительно низкую твердость и уровень сжимающих напряжений либо имеют высокую микротвердость, но недостаточную прочность сцепления с инструментальной основой. В результате этого покрытие легко подвергается абразивному износу, в нем быстро зарождаются и распространяются трещины, приводящие к разрушению покрытия, что снижает стойкость РИ с покрытием.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ нанесения износостойкого покрытия на РИ, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, состоящего из чередующихся слоев чистого α-титана (α-Ti) и TiN (см. Верещака А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. - М.: Машиностроение, 1993, c. 294), принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе многослойное покрытие содержит мягкие слои чистого металла, которые хорошо сопротивляются зарождению и развитию трещин, но снижают микротвердость и когезионную прочность покрытия. В результате покрытие плохо сопротивляется абразивному износу, что приводит к разрушению покрытия и снижению стойкости РИ.

Повышение в последнее время стоимости металлорежущего инструмента и ужесточение требований к точности обрабатываемых деталей сделало еще более актуальной проблему повышения стойкости РИ. Основной причиной износа РИ при прерывистом резании является возникновение трещин в его режущей части, являющихся причиной появления сколов и выкрашиваний, связанных с усталостным разрушением в результате воздействия переменных силовых и, особенно, тепловых воздействий. Одним из путей повышения стойкости и работоспособности РИ с покрытием является нанесение покрытий многослойного типа. Наличие в покрытии слоев с определенными теплофизическими и механическими свойствами способно тормозить процессы образования и распространения трещин без снижения микротвердости, улучшить термонапряженное состояние РИ с покрытием и повысить стойкость РИ.

Технический результат - повышение работоспособности РИ и качества обработки.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе на рабочие поверхности РИ вакуумно-дуговым методом наносится многослойное покрытие. Особенность заявляемого способа заключается в том, что в качестве верхнего слоя наносится соединение, обеспечивающее минимальный уровень контактных температур и амплитуду их колебаний, а в качестве внутренних слоев - соединения, обладающие высоким уровнем остаточных сжимающих напряжений и хорошей адгезией с инструментальным материалом. Кроме того, для двухслойного покрытия толщина внутреннего слоя составляет 30-50% от общей толщины покрытия, а для трехслойного покрытия толщины внутреннего и среднего слоев составляют соответственно 18-25 и 45-55% от общей толщины покрытия.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источников, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа повышения стойкости РИ. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. В частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;
- замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
- увеличение количества однотипных элементов, действий для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий;
- выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;
- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе прерывистого резания во время рабочего хода РИ работает в условиях всестороннего сжатия, что благополучно сказывается на работоспособности РИ. Во время холостого хода в поверхностных слоях РИ начинают действовать напряжения растяжения, возникающие в результате более интенсивного охлаждения поверхностных слоев инструментального материала по отношению к нижележащим слоям. Наличие растягивающих напряжений отрицательно сказывается на работоспособности РИ при прерывистом резании, так как они активизируют процесс трещинообразования. Внутренний слой покрытия должен иметь высокий уровень остаточных сжимающих напряжений для того, чтобы во время холостого хода в покрытии сохранялся высокий уровень сжимающих напряжений, препятствующих появлению магистральных трещин. Верхний слой должен обладать такими контактными характеристиками, чтобы снизить уровень контактных температур и амплитуду их колебаний за время рабочего и холостого хода, что приводит к снижению амплитуды колебаний напряжений, действующих на поверхности инструмента за время рабочего и холостого хода.

Пластины с покрытиями, полученные с отклонениями от указанных в формуле изобретения пределов толщины внутреннего и среднего слоев, показали более низкие результаты. Увеличение толщины внутреннего твердого слоя приводило к увеличению хрупкости покрытия, снижению адгезии с инструментальной основой. Уменьшение при этом толщины верхнего более мягкого слоя приводило к тому, что он более интенсивно разрушался в процессе резания. Уменьшение толщины внутреннего твердого слоя приводило к снижению микротвердости всей многослойной композиции и, как следствие, снижению стойкости инструмента.

Для экспериментальной проверки заявленного способа были нанесены покрытие-прототип с соотношением слоев, соответствующему оптимальному значению, указанному в известном способе, а также двухслойные и трехслойные покрытия по предлагаемому способу. Покрытия наносили на твердосплавные пластины в вакуумной камере установки "Булат-6", снабженной тремя вакуумно-дуговыми испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. В качестве катодов испаряемого металла при нанесении слоев TiN и TiCN использовали титановый сплав ВТ1-0. При нанесении сложных соединений (Ti, Zr)N и (Ti, Zr)CN в качестве материала двух катодов использовался сплав ВТ1-0, а в качестве материала третьего катода - сплав циркония Э-110. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки. Покрытия толщиной 6 мкм осаждались в течение 40 мин при температуре 560-580^oС при токе дуги 110 А. Слои TiN осаждали в среде реакционного газа азота при напряжении на подложке 140 В. Для осаждения слоев TiCN в качестве реакционного газа использовалась смесь азота и ацетилена (содержание ацетилена в смеси 30%), напряжение на подложке 160 В. Ток фокусирующих катушек при конденсации TiN составляет 0,3 А, при конденсации TiCN - 0,4 А.

Ниже приведены конкретные примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. Твердосплавные пластины МК8 (размером 4,7•12•12 мм) промывают в ультразвуковой ванне, протирают ацетоном, спиртом и устанавливают на поворотном устройстве в вакуумной камере установки "Булат-6", снабженной тремя испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. В качестве катодов испаряемого металла используют титановый сплав марки ВТ1-0. Камеру откачивают до давления 6,65-10^-3 Па, включают поворотное устройство, подают на него отрицательное напряжение 1,1 кВ, включают один испаритель и при токе дуги 100 А производят ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580^oС. Ток фокусирующей катушки 0,3 А. Затем снижают отрицательное напряжение до 140 В, включают еще два испарителя, подают в камеру реакционный газ - азот и осаждают покрытие толщиной 1,5 мкм (слой TiN) в течение 10 мин. Затем поднимают напряжение до 160 В, ток фокусирующих катушек до 0,4 А. В камеру подается реакционный газ - смесь азота и ацетилена (содержание ацетилена в смеси 30%) и осаждают второй слой покрытия (TiCN) толщиной 3 мкм в течение 20 мин. Затем снижают напряжение до 140 В, ток фокусирующих катушек до 0,3 А, в камеру подают реакционный газ - азот и осаждают третий слой покрытия (TiN) толщиной 1,5 мкм в течение 10 мин. Затем отключают испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Пример 2. Твердосплавные пластины МК8 промывают в ультразвуковой ванне, протирают ацетоном, спиртом и устанавливают на поворотном устройстве в вакуумной камере установки "Булат-6", снабженной тремя вакуумно-дуговыми испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. В качестве материала первого и третьего электрода используется титановый сплав ВТ1-0, а в качестве материала второго электрода - сплав циркония Э-110. Ионную очистку проводят аналогично примеру 1. Первым слоем наносился слой (Ti, Zr)CN толщиной 2 мкм в течение 13 мин аналогично нанесению слоя TiCN. Вторым наносился слой (Ti, Zr)N толщиной 4 мкм в течение 27 мин аналогично нанесению слоя TiN. Затем отключали испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывают и извлекают инструмент с покрытием.

Стойкостные испытания проводили на вертикально-фрезерном станке модели 6Р12 торцевыми фрезами диаметром 125 мм при обработке конструкционной стали 5XНМ и нержавеющей стали 12X18Н10Т без охлаждения. Испытывали твердосплавные пластины марки МК8, обработанные по известному и предлагаемому способам. Критерием износа служила фаска износа по задней поверхности шириной 0,4 мм.

Как видно из приведенных в таблице данных, стойкость пластин, обработанных по предлагаемому способу, выше износостойкости пластин, обработанных по способу-прототипу в 1,5-2 раза. Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно повысить износостойкость инструментов и сократить расход инструментальных материалов, что повышает эффективность применения инструмента с покрытиями.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа повышения стойкости РИ следующей совокупности условий:
- способ повышения износостойкого покрытия на РИ, воплощающий заявленный способ при его осуществлении, предназначен для использования в промышленности, а именно для нанесения износостойких покрытий на РИ, и может быть использован в металлообработке;
- для заявленного способа повышения стойкости РИ в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью известных до даты приоритета средств и методов;
- способ повышения износостойкого покрытия на РИ, воплощающий заявленный способ при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент (РИ) и может быть использовано в металлообработке. Технический результат - повышение работоспособности РИ и качества обработки. Вакуумно-плазменным методом на рабочие поверхности режущего инструмента наносят многослойные покрытия, верхний слой которых обеспечивает минимальный уровень контактных температур и амплитуду их колебаний во время рабочего и холостого хода инструмента в процессе прерывистого резания, а внутренние слои - высокий уровень остаточных напряжений сжатия в материале покрытия и хорошую адгезию к инструментальному материалу, что обеспечивает повышение работоспособности инструментов и сокращение расхода инструментальных материалов. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ нанесения износостойкого покрытия на режущий инструмент, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, отличающийся тем, что в качестве верхнего слоя наносят соединение, обеспечивающее минимальный уровень контактных температур и амплитуду их колебаний во время рабочего хода инструмента в процессе прерывистого резания, а в качестве внутренних слоев - соединения, обладающие высоким уровнем остаточных сжимающих напряжений и хорошей адгезией с инструментальным материалом. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для двухслойного покрытия толщина внутреннего слоя составляет 30-50% от общей толщины покрытия. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для трехслойного покрытия толщины внутреннего и среднего слоев составляют соответственно 18-25% и 45-55% от общей толщины покрытия.