РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2003 года по МПК B23B27/14 C23C14/06 

Изобретение относится к области нанесения покрытий, в частности к нанесению покрытий испарением и конденсацией в вакууме, и может быть использовано в инструментальном производстве для получения износостойких покрытий на режущем инструменте.

Известен режущий инструмент с износостойким ионно-плазменным покрытием TiN толщиной 3-8 мкм (см. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. - М.: Машиностроение, 1993, с. 252).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного режущего инструмента с покрытием, относится то, что в известном режущем инструменте с покрытием наносимое покрытие имеет недостаточную микротвердость и прочность сцепления с инструментальной основой, что приводит к снижению стойкости режущего инструмента при его эксплуатации.

Наиболее близким режущим инструментом с покрытием того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является режущий инструмент с покрытием, содержащий инструментальную основу и нанесенное на нее износостойкое ионно-плазменное покрытие нитрида титана и циркония (см. Табаков В. П. Исследование износостойкости покрытий режущего инструмента, полученных с применением составных катодов // СТИН, 1996, 3, с. 15), принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного режущего инструмента с покрытием, принятого за прототип, относится то, что в известном режущем инструменте с покрытием не обеспечивается достаточная прочность сцепления покрытия с инструментальной основой, в результате чего снижается стойкость режущего инструмента при его эксплуатации.

Сущность изобретения заключается в следующем. На инструментальную основу наносится износостойкое покрытие нитрида (титана и циркония), содержащее дополнительно железо, никель и хром и выполненное из нитрида (титана, циркония, железа, никеля и хрома) при следующем соотношении металлов в нитриде, мас.%: титан 86,5-91,0, цирконий 8,0-12,0, железо 0,7-1,04, никель 0,13-0,2, хром 0,17-0,26.

Технический результат - повышение стойкости режущего инструмента.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известный режущий инструмент с покрытием содержит инструментальную основу и нанесенное на нее износостойкое ионно-плазменное покрытие нитрида (титана и циркония).

Особенность заключается в том, что покрытие содержит дополнительно железо, никель и хром и выполнено из нитрида (титана, циркония, железа, никеля и хрома) при следующем соотношении металлов в нитриде, мас.%: титан 86,5-91,0, цирконий 8,0-12,0, железо 0,7-1,04, никель 0,13-0,2, хром 0,17-0,26.

Нанесение покрытия нитрида (титана и циркония), содержащего дополнительно железо, никель и хром и выполненного из нитрида (титана, циркония, железа, никеля и хрома) при следующем соотношении металлов в нитриде, мас.%: титан 86,5-91,0, цирконий 8,0-12,0, железо 0,7-1,04, никель 0,13-0,2, хром 0,17-0,26, приводит к снижению напряжений в покрытии, к повышению прочности сцепления покрытия с инструментальной основой и микротвердости и, как следствие, к увеличению стойкости режущего инструмента при его эксплуатации.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, определенные 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 режущем инструменте с покрытием, 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 режущего инструмента с покрытием. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние 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 (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;
- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какой-либо части (элемента) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности, сокращение продолжительности процесса и пр.);
- увеличение количества однотипных элементов, действий для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий;
- выполнение известного средства или его части (частей) 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".

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата:
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен режущий инструмент с покрытием.

Режущий инструмент с покрытием содержит инструментальную основу 1 и нанесенное на нее покрытие 2, выполненное из нитрида титана, циркония, железа, никеля и хрома.

Покрытия наносили следующим образом.

Покрытия наносили методом КИБ (конденсацией из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой). Неперетачиваемые пластины, изготовленные из быстрорежущей стали Р6М5К5, размещали в камере установки "Булат-6Т" с установленными в ней электродуговыми испарителями, материалы катодов которых включают элементы покрытия.

В пространстве между пластинами и катодом зажигали дуговой разряд для испарения материала катода, в камеру подавали азот для взаимодействия с испаряемым материалом катода. Осуществляли конденсацию покрытия нитрида титана, циркония, железа, никеля и хрома (Ti, Zr, Fe, Ni, Cr) N толщиной 5 мкм. После этого подачу азота в камеру прекращали, выключали дуговой разряд. Пластины с нанесенным износостойким покрытием охлаждали в камере до комнатной температуры.

Остаточные напряжения в покрытии определяли на рентгеновском дифрактометре "ДРОН-3".

Прочность сцепления покрытия с инструментальной основой оценивали методом воздействия импульсного лазерного излучения на лазерной технологической установке "Квант-15". За критерий оценки адгезионных свойств композиции "покрытие - инструментальная основа" был принят коэффициент отслоения К_о, определяемый как отношение площади отслоения покрытия к площади лазерного пятна. Микротвердость покрытия измеряли на микротвердомере "ПМТ-3".

Стойкостные испытания режущего инструмента проводили при продольном точении заготовок из стали 30ХГСА на токарном станке 16К20. Пластины устанавливались и закреплялись в державках, которые обеспечивали следующую геометрию рабочей части: γ=10^o, α=8^o, ϕ=45^o, ϕ₁ = 15^°, λ=0, r=0. Режимы резания были следующими: скорость резания V=55 м/мин, подача S=0,3 мм/об, глубина резания t= 0,75 мм. В качестве СОЖ применяли 5%-ный водный раствор эмульсола Укринол-1М. За критерий износа была принята величина фаски износа по задней поверхности h₃=0,4 мм. Эффективность инструмента определяли по величине коэффициента повышения стойкости, определяемого как отношение стойкости инструмента с покрытием (Ti, Zr, Fe, Ni, Cr)N к стойкости инструмента с покрытием (Ti, Zr)N.

Величина остаточных напряжений, коэффициент отслоения, микротвердость покрытий (Ti, Zr)N и (Ti, Zr, Fe, Ni, Cr)N и стойкость режущего инструмента с данными покрытиями приведены в таблице.

Как видно из таблицы, наличие в покрытии нитрида титана и циркония, железа, никеля и хрома способствует снижению остаточных напряжений в покрытии, повышению прочности сцепления покрытия с инструментальной основой (о чем свидетельствует уменьшение коэффициента отслоения) и микротвердости и увеличению стойкости режущего инструмента с покрытием (Ti, Zr, Fe, Ni, Cr)N по сравнению с инструментом с покрытием (Ti, Zr)N.

Стойкость режущего инструмента с покрытием (Ti, Zr, Fe, Ni, Cr)N при следующем соотношении компонентов, мас.%: титан 86,5-91,0, цирконий 8,0-12,0, железо 0,7-1,04, никель 0,13-0,2, хром 0,17-0,26 повышается в 1,2-1,4 раза по сравнению с инструментом с покрытием (Ti, Zr)N.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного режущего инструмента с покрытием следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленный режущий инструмент с покрытием при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области нанесения покрытий, в частности в области нанесения покрытий испарением и конденсацией в вакууме, и может быть использовано в инструментальном производстве для получения износостойких покрытий на режущем инструменте;
- для заявленного режущего инструмента с покрытием в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Изобретение может быть использовано в инструментальном производстве для получения износостойких покрытий на режущем инструменте. Режущий инструмент содержит инструментальную основу и нанесенное на нее ионно-плазменным методом износостойкое покрытие. Покрытие выполнено из нитрида (титана, железа, никеля, хрома) при следующем соотношении металлов в нитриде, мас.%: титан 86,5-91,0, цирконий 8,0-12,0, железо 0,7-1,04, никель 0,13-0,2, хром 0,17-0,26. Выполнение указанного покрытия обеспечивает снижение остаточных напряжений, повышение прочности сцепления покрытия с инструментальной основой и увеличение стойкости режущего инструмента. 1 ил., 1 табл.

Режущий инструмент с покрытием, содержащий инструментальную основу и нанесенное на нее износостойкое ионно-плазменное покрытие нитрида (титана, циркония), отличающийся тем, что покрытие содержит дополнительно железо, никель и хром и выполнено из нитрида (титана, циркония, железа, никеля, хрома) при следующем соотношении компонентов, мас. %: титан 86,5 - 91,0, цирконий 8,0 - 12,0, железо 0,7 - 1,04, никель 0,13-0,2, хром 0,17-0,26.