КАТОД ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ИСПАРИТЕЛЯ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК C23C14/00 B22D18/02 

Изобретение относится к нанесению износостойких покрытий на режущий инструмент или детали машин и может быть использовано в станкостроительной промышленности.

Известен катод электродугового испарителя, используемый для получения нитридного покрытия на основе алюминида металла IV-VI группы ПСЭ, повышающего стойкость режущего инструмента. Катод изготовлен из алюминида металла IV - VI группы ПСЭ с содержанием алюминия 50-80% (см. БИ 12 (II ч.) 27.04.99. А.с. 1506925... Способ повышения стойкости режущего инструмента). Покрытия, получаемые по данному способу, отличаются высокой работоспособностью по сравнению с простыми нитридами.

Вместе с тем следует отметить, что получение катода из алюминида титана (см. БИ 12 (II ч.) 27.04.99. А.с. 1506925... Способ повышения стойкости режущего инструмента.) весьма сложно и дорого, поскольку алюминид титана весьма хрупкий и твердый материал, который может разрушиться при механической обработке. Также данный способ требует применения тиглей из специальной керамики и плавильных печей с водоохлаждаемыми тиглями, поскольку температура плавления алюминидов различных металлов (Ti, Zr, Nb и пр.) 1400-1600^oС.

Известен способ получения катода электродугового испарителя путем плавки для получения алюминида металла IV-VI группы ПСЭ с содержанием алюминия 50-80% (см. БИ 12 (II ч.) 27.04.99. А.с. 1506925... Способ повышения стойкости режущего инструмента.) с последующей механической обработкой получаемой отливки для придания ей конфигурации и размеров катода.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является катод электродугового испарителя и способ его получения (прототип), при котором катод изготавливается в виде титановой оболочки, в которой расплавляются компоненты, а затем титановая оболочка подвергается механической обработке для закрепления и установки самого катода в электродуговой испаритель (см. БИ 14 (III ч.) 20.05.99. А.с. 1637372... Катод электродугового испарителя и способ его изготовления.).

Способ-прототип (см. БИ 14 (III ч.) 20.05.99. А.с. 1637372... Катод электродугового испарителя и способ его изготовления.) состоит в следующем: в стакан из титана марки ВТ1-0 диаметром, равным диаметру катода электродугового испарителя конкретной установки, и внутренним диаметром на 10 мм меньше наружного диаметра катода помещены компоненты для выплавки вставки из алюминида титана - это алюминий марки ХЧ в виде гранул размером 5-10 мм и титан марки ВТ1-0 в виде кусочков ленты размером 10•20 мм, толщина которой не более 10% от толщины стакана, что является необходимым и достаточным условием для предотвращения проплавления стенок титанового стакана для данного способа изготовления. Соотношение титана и алюминия в шихте 60:40 (по массе), что соответствует стехиометрическому составу алюминида титана TiAl. Плавку производят в вакуумной печи в среде аргона, предварительно откачанной до давления 6,65•10^-3 Па. При достижении температуры 1460-1480^oС наблюдается образование жидкой фазы, после чего нагреватель печи отключается и стакан охлаждается с печью в течение 1,5 часов. Фазовый состав алюминида титана контролируется методом рентгеноструктурного анализа.

Согласно способу-прототипу упрощение процесса получения катода достигается тем, что механическая обработка алюминида титана практически исключается. Наличие титановой оболочки также предотвращает возможность аварийной ситуации в работе электродугового испарителя в случае разрушения алюминида титана и способствует релаксации термических напряжений благодаря пластичности титановой оболочки.

Недостатками известного способа-прототипа является использование высокотемпературных вакуумных печей, ограничения по толщине титановой ленты (0,2-0,5 мм), которая является дорогостоящей продукцией, а также предварительное изготовление стакана из сплава ВТ1-0, значительная часть которого уходит в стружку. Кроме этого, требуется тщательно контролировать температуру и время выдержки при образовании жидкой фазы алюминида титана, которые зависят от точного соотношения по массе титана и алюминия, компоненты которых в свою очередь должны быть предварительно подготовлены в виде гранул и кусочков титановой ленты и определенным образом уложены в стакане. Следует также отметить, что имеется возможность неполного проплавления загружаемых компонентов и образования пор, что может привести к неправильному выгоранию расходуемой (распыляемой) части катода, а это сказывается на надежной работе электродугового испарителя и изменения требуемого химического состава получаемого покрытия.

Технический результат изобретения - упрощение технологического процесса изготовления и снижение стоимости катода. Указанный технический результат достигается тем, что катод содержит расходуемую вставку из титана (титанового сплава) определенного размера в зависимости от размера самого катода и водоохлаждаемый корпус из алюминиевого сплава, причем закрепление вставки и изготовление водоохлаждаемого корпуса катода производится методом полужидкой штамповки.

Согласно изобретению катод содержит расходуемую вставку определенного размера из титана и водоохлаждаемый корпус из алюминиевого сплава, изготовление которого производится методом полужидкой штамповки.

В известных технических решениях изготовление катодов для нанесения покрытий на основе нитридов или карбонитридов титана-алюминия, имеющих расходуемую вставку из титана определенного размера и водоохлаждаемый корпус из алюминиевого сплава (для получения требуемого соотношения алюминия и титана в покрытии) и изготавливаемых методом полужидкой штамповки не обнаружено, в связи с чем предложенное решение соответствует критерию "новизна".

Сущность изобретения заключается в том, что получение корпуса катода из алюминиевого сплава обеспечивает хорошее охлаждение катода в процессе его работы благодаря высокой теплопроводности, а также невысокую стоимость корпуса катода. Применение вставки из титана ВТ1-0 определенного размера (для получения требуемого соотношения компонентов в покрытии) позволяет значительно экономить дорогостоящий материал и сводить к минимуму его механическую обработку (отрезка и обточка прутка необходимого размера). Кроме этого, технологическое преимущество данного способа получения катода в том, что закрепление титановой вставки и водоохлаждаемого алюминиевого корпуса осуществляется методом полужидкой штамповки, поскольку обеспечивается не только хороший электрический, тепловой и механический контакт, но и достигается полное исключение пор, заданный химический состав, высокая производительность процесса, снятие каких-либо ограничений на подготовку исходных материалов, а также ненужность дорогостоящих электровакуумных печей и квалифицированного персонала.

Катод изготавливается из заготовки, получаемой методом полужидкой штамповки. Для этого изготавливается специальный штамп (несложный по конструкции), который устанавливается на пресс. Алюминиевый сплав, расплавленный в электропечи при температуре 650-700^oС, заливается в штамп (полость штампа), в которую предварительно устанавливается вставка из титана ВТ1-0 определенного размера. После некоторого подстуживания залитый в полости штампа алюминиевый расплав вместе со вставкой штампуется и кристаллизуется, в результате чего получается заготовка катода, из которой с помощью механической обработки получают катод, содержащий расходуемую вставку 1 из титана (титанового сплава) и водоохлаждаемый корпус 2 из алюминия (алюминиевого сплава) (см. чертеж).

Для экспериментальной проверки заявляемого изобретения были изготовлены катоды с различными соотношениями площади расходуемой вставки и площади катода, а затем сравнивались полученные данные с покрытиями, полученными из литого катода по способу-прототипу.

Покрытие наносили (аналогично способу-прототипу) на твердосплавные пластины в вакуумной камере установки "Булат - 6Т", снабженной тремя вакуумно-дуговыми испарителями, расположенными горизонтально в одной плоскости. В качестве катодов использовали титановый сплав ВТ1-0 (один катод, используемый для ионной очистки) и изготовленные по предлагаемому изобретению титан-алюминиевые катоды (для осаждения покрытия). Покрытие после проведения ионной очистки и нагрева твердосплавных пластин до температуры 560-580^oС осаждали при давлении 6,65•10^-1 Па в присутствии реакционного газа азота и опорном напряжении от 180 до 240 В. Толщина получаемого покрытия из нитрида титана-алюминия была 5,5-6,0 мкм.

Получаемые покрытия контролировались по химическому составу и структуре, результаты контроля представлены в табл.1.

Как видно из табл. 1, покрытие TiAlN, получаемое из предлагаемых катодов, имеет химический состав и структурные параметры, соответствующие покрытию TiAlN, полученному из литых катодов (прототип).

Кроме этого, для определения работоспособности упрочненных твердосплавных пластин по предлагаемому способу и способу-прототипу на токарно-винторезном станке мод. 16К20 с бесступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя проводили стойкостные испытания при точении заготовок из стали 30ХГСА и 12Х18Н10Т без СОТС. За критерий износа выбиралась фаска износа по задней грани шириной 0,4 мм. Данные испытаний приведены в табл.2.

Как видно из приведенных в табл. 2 данных, период стойкости пластин с покрытием TiAlN, полученных по предлагаемому изобретению и способу-прототипу, практически не отличается. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет существенно упростить технологический процесс изготовления катода, снизить расход дорогостоящих материалов, что повышает эффективность применения инструмента с покрытиями.

Изобретения относятся к нанесению износостойких покрытий на режущий инструмент или детали машин и могут быть использованы в станкоинструментальной промышленности. Катод электродугового испарителя для нанесения покрытия нитрида титана-алюминия содержит расходуемую вставку и водоохлаждаемый корпус. Расходуемая вставка выполнена из титана или титанового сплава с площадью, равной 0,2-0,35 от площади расходуемой части катода. Водоохлаждаемый корпус - из алюминиевого сплава. Способ изготовления катода включает изготовление водоохлаждаемого корпуса и закрепление расходуемой вставки в водоохлаждаемом корпусе полужидкой штамповкой и механическую обработку корпуса. Технический результат заключается в упрощении технологического процесса изготовления катода и снижение его стоимости. 2 с.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

1. Катод электродугового испарителя для нанесения покрытия нитрида титана - алюминия, содержащий расходуемую вставку и водоохлаждаемый корпус, отличающийся тем, что расходуемая вставка выполнена из титана или титанового сплава с площадью, равной 0,2-0,35 от площади расходуемой части катода, а водоохлаждаемый корпус - из алюминиевого сплава.2. Способ изготовления катода электродугового испарителя для нанесения покрытия нитрида титана - алюминия, включающий закрепление расходуемой вставки в водоохлаждаемом корпусе и механическую обработку корпуса, отличающийся тем, что расходуемую вставку изготовляют из титана или титанового сплава площадью, равной 0,2-0,35 площади расходуемой части катода, водоохлаждаемый корпус - из алюминиевого сплава, а закрепление вставки и изготовление водоохлаждаемого корпуса производят полужидкой штамповкой.