Режущий инструмент с износостойким покрытием Российский патент 2019 года по МПК B23B27/14 C23C14/06 B82Y30/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к металлорежущему инструменту, в частности к режущим пластинам и фрезам, используемым для обработки изделий из трудно обрабатываемых материалов, в том числе из титана и его сплавов.

Уровень техники

При обработке изделий из титана и его сплавов процесс резания сопровождается высокой температурой и эффектом упрочнения стружки, а также значительными знакопеременными нагрузками, действующими на рабочую часть режущего инструмента.

Для повышения работоспособности и стойкости режущего инструмента используют твердую термостойкую основу его рабочей части, химически устойчивое, термостойкое и твердое покрытие, различную конфигурацию передней и задней поверхностей рабочей части режущего инструмента, а также различную конфигурацию режущей кромки.

Известны конструкции режущего инструмента (см., например, патент RU 2640483), где для повышения стойкости рабочей части режущего инструмента в качестве его твердосплавной основы используют твердые сплавы, содержащие (9…14)% Со, (0,2…1,5)% Cr₃С₂ и (84,5…90,8)% WC. При этом на твердосплавную основу наносят износостойкое покрытие, включающее износостойкий слой из TiB₂. При этом слой из TiB₂ может быть нанесен методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) или физического осаждения из паровой фазы (PVD).

При использовании метода CVD износостойкий слой из TiB₂ имеет внутреннюю металлографическую текстуру от случайной ориентации до ориентации 001, что обеспечивает его высокую твердость и термостойкость, но при этом в нем могут возникать внутренние растягивающие напряжения, которые могут оказывать негативную роль на стойкость износостойкого покрытия в условиях асимметричного нагружения режущего клина.

Для повышения стойкости режущего инструмента также используют многослойные покрытия, предназначенные специально для обработки титановых сплавов (см., например, патент RU 2478731 С1, МПК С23С 14/24, 10.04.2013). В данном патенте представлен режущий инструмент из твердого сплава с многослойным покрытием, нанесенным методом физического осаждения из паровой фазы. При этом многослойное покрытие включает промежуточный слой, служащий диффузным барьером между твердосплавной основой и износоустойчивым покрытием. Промежуточный слой состоит из нитридов металлов из ряда Al, Ti, Zr, а износоустойчивое покрытие состоит из первого слоя, расположенном на промежуточном слое и состоящего из TiB₂ или оксида циркония или алюминия, второго адгезионного наноразмерного слоя, состоящего Ti или Zr, и поверхностного слоя, состоящего из чередующихся нанослоев сверхтвердого аморфного углерода и нано слоев металла из ряда Ti, Zr, Cr, W, причем внешний нано слой поверхностного слоя состоит из сверхтвердого аморфного углерода.

Конструкция режущего инструмента, раскрытого в патенте RU 2478731, не позволяет достичь высокой стойкости. Это обусловлено тем, что слой из TiB₂, нанесенный на твердосплавную основу методом физического осаждении из паровой фазы при обычных режимах, имеет столбчатую металлографическую структуру с преимущественной ориентацией 001, что существенно снижает его микротвердость (менее 40 ГПа) и, тем самым, отрицательно влияет на стойкость режущего инструмента.

Задачей настоящего изобретения является создание режущего инструмента из твердого сплава с износостойким покрытием повышенной стойкости, нанесенным методом физического осаждения из паровой фазы и содержащим структуру из TiB₂ высокой твердости и износостойкости.

Сущность изобретения

Указанный технический результат достигается посредством совокупности признаков, приведенных в соответствующих пунктах формулы изобретения.

Режущий инструмент с износостойким покрытием содержит режущие кромки, образованные на пересечении передней и задней поверхностей твердосплавной основы режущей части. Его износостойкое покрытие включает по меньшей мере структуру, сформированную из TiB₂.

Согласно изобретению структура, сформированная из TiB₂, содержит, по меньшей мере, последовательно нанесенные промежуточный слой из TiB₂ и износостойкий слой из TiB₂, причем промежуточный слой имеет столбчатую металлографическую структуру с преимущественной ориентацией 001, а износостойкий слой имеет в своем составе по меньшей мере слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной β-фазой в границах упомянутых зерен.

В соответствии с одним предпочтительным исполнением режущего инструмента между твердосплавной основой и структурой из TiB₂ нанесен адгезионный слой, содержащий, по меньшей мере, один из нитридов металлов из ряда Ti, Zr, Nb, Cr, Hf, Та, Al, Mo и W.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента адгезионный слой выполнен из TiN толщиной, выбранной из диапазона 0,7-1,2 мкм, упомянутый промежуточный слой - толщиной, выбранной из диапазона 0,3-1,2 мкм, а упомянутый износостойкий слой - толщиной, выбранной из диапазона 2,0-5,1 мкм.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента внутренние остаточные механические напряжения в его износостойком слое TiB₂ имеют значение, выбранное из диапазона (3,5-4,1) ГПа, а его микротвердость соответствует значению, выбранному из диапазона (40-60) ГПа при микротвердости промежуточного слоя менее 40 ГПа,

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента промежуточный слой выполнен в виде нанослоя, сформированного из TiB₂ или последовательно чередующихся нанослоев, сформированных из TiB₂.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента износостойкий слой дополнительно содержит по меньшей мере первый нанослой из TiB₂ со столбчатой металлографической структурой с преимущественной ориентацией зерен 001, причем упомянутый слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной β-фазой в границах упомянутых зерен выполнен вторым нанослоем из TiB₂, при этом упомянутые слои выполнены последовательно чередующимися.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента микротвердость первого нанослоя не равна микротвердости второго нанослоя.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента микротвердость первого нанослоя меньше микротвердости второго нанослоя.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента износостойкий слой дополнительно содержит по меньшей мере второй слой из TiB₂ со столбчатой металлографической структурой с преимущественной ориентацией зерен 001, причем упомянутый слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной β-фазой в границах указанных зерен выполнен первым слоем из TiB₂, причем упомянутые слои выполнены последовательно нанесенными.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента он выполнен в виде сменной режущей пластины или цельного твердосплавного концевого инструмента, или инструмента с механическим креплением сменных режущих пластин.

Для лучшего понимания, но только в качестве примера, изобретение далее будет описано с отсылками к приложенным чертежам, где изображена конструкция режущего инструмента и схематично фрагмент многослойного износостойкого покрытия.

На фиг. 1 изображен в перспективе режущий инструмент с износостойким покрытием, выполненный в виде односторонней сменной режущей пластины (10а);

на фиг. 2а, b, c - структурно изображены фрагменты износостойкого покрытия, нанесенного на рабочую часть режущего инструмента;

На фиг. 3 изображен в перспективе режущий инструмент с износостойким покрытием, выполненный в виде сменной режущей пластины (10b);

на фиг. 4 изображен в перспективе режущий инструмент с износостойким покрытием, выполненный в виде концевой фрезы (10с);

на фиг. 5 изображен в перспективе режущий инструмент, выполненный в виде концевой фрезы (10d) с механическим креплением сменных режущих пластин;

Детальное описание устройства.

Режущий инструмент 10 с износостойким покрытием может быть выполнен в виде сменной режущей пластины 10а, b или концевых фрез с винтовым расположением режущих кромок 10с. Режущий инструмент с износостойким покрытием также может быть выполнен в виде фрез концевых 10d, торцевых или дисковых с механическим креплением сменных режущих пластин. При этом сменные режущие пластины могут иметь прямолинейные или криволинейные режущие кромки. Основа режущей части инструмента, на которую наносят износостойкое покрытие, может быть выполнена из порошков, содержащих карбиды вольфрама, кермета или керамики. Далее более подробно рассмотрим фигуры 1-5.

В качестве примера на фиг. 1 изображен в перспективе режущий инструмент 10 с износостойким покрытием 20, выполненный в виде односторонней сменной режущей пластины 10а, имеющей твердосплавную основу 18.

Режущий инструмент 10 с износостойким покрытием 20 содержит режущие кромки 12, образованные на пересечении передней 14 и задней 16 поверхностей твердосплавной основы 18 режущей части. Его износостойкое покрытие 20 включает по меньшей мере структуру 22, сформированную из TiB₂. При этом использован метод физического осаждения покрытия из паровой фазы.

В соответствии с изобретением структура 22, сформированная из TiB₂, содержит, по меньшей мере, последовательно нанесенные промежуточный слой 24) из TiB₂ и износостойкий слой 26 из TiB₂. При этом промежуточный слой 24 имеет столбчатую металлографическую структуру с преимущественной ориентацией 001, а износостойкий слой 26 имеет в своем составе по меньшей мере слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной β-фазой в границах упомянутых зерен.

В соответствии с одним предпочтительным исполнением режущего инструмента между твердосплавной основой 18 и структурой 22 из TiB₂ нанесен адгезионный слой 28. Он содержит по меньшей мере один из нитридов металлов из ряда Ti, Zr, Nb, Cr, Hf, Та, Al, Mo и W.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента адгезионный слой 28 выполнен из TiN толщиной, выбранной из диапазона 0,7-1,2 мкм, упомянутый промежуточный слой 24 - толщиной, выбранной из диапазона 0,3-1,2 мкм, а упомянутый износостойкий слой 26 - толщиной, выбранной из диапазона 2,0-5,1 мкм.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента внутренние остаточные механические напряжения в износостойком слое 26 TiB₂ имеют значение, выбранное из диапазона (3,5-4,1) ГПа, а его микротвердость соответствует значению, выбранному из диапазона (40-60) ГПа при микротвердости промежуточного слоя 24 менее 40 ГПа,

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента промежуточный слой 24 выполнен в виде нанослоя, сформированного из TiB₂, или последовательно чередующихся нанослоев, сформированных из TiB₂.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента износостойкий слой 26 дополнительно содержит по меньшей мере первый нанослой 30 из TiB₂ со столбчатой металлографической структурой с преимущественной ориентацией зерен 001, причем упомянутый слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной β-фазой в границах упомянутых зерен выполнен вторым нанослоем 32 из TiB₂, при этом упомянутые слои выполнены последовательно чередующимися.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента микротвердость первого нанослоя 30 не равна микротвердости второго нанослоя 32.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента микротвердость первого нанослоя 30 меньше микротвердости второго нанослоя 32.

В соответствии с другим предпочтительным исполнением режущего инструмента износостойкий слой 26 дополнительно содержит по меньшей мере второй слой 36 из TiB₂ со столбчатой металлографической структурой с преимущественной ориентацией зерен 001, причем упомянутый слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной β-фазой в границах указанных зерен выполнен первым слоем 34 из TiB₂, причем упомянутые слои 34 и 36 выполнены последовательно нанесенными.

Пример использования изобретения

Сменные режущие пластины 10а устанавливали на торцевую фрезу диаметром 50 мм. Далее торцевую фрезу устанавливали в шпиндель фрезерного станка HAAS VF-2S5 и фрезеровали на различных режимах по плоскости заготовку из титанового сплава ВТ-23.

При этом стойкость одной режущей кромки 12 при максимальном износе по задней поверхности 16, равном 0,4 мм, и следующих режимах резания: скорость резания Vc=35 м/мин., подача на зуб fz=0,15 мм/зуб, глубина фрезерования ар=4 мм и ширина фрезерования ае=32,5 мм, составила 180 мин.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет существенно повысить стойкость металлорежущего инструмента при обработке изделий из титанового сплава при повышенных режимах резания.

Хотя настоящее изобретение было описано с определенной степенью детализации, следует понимать, что его различные изменения и модификации могут быть выполнены без отхода от существа и объема изобретения, изложенного в приведенной ниже формуле изобретения.

Изобретение относится к металлорежущему инструменту, в частности к режущим пластинам и фрезам, используемым для обработки изделий из трудно обрабатываемых материалов, в том числе из титана и его сплавов. Режущий инструмент с износостойким покрытием, содержащий режущие кромки, образованные на пересечении передней и задней поверхностей твердосплавной основы режущей части, в котором износостойкое покрытие включает по меньшей мере структуру, сформированную из TiB_2. Структура, сформированная из TiB₂, содержит по меньшей мере последовательно нанесенные промежуточный слой из TiB₂ и износостойкий слой из TiB₂. Промежуточный слой имеет столбчатую металлографическую структуру с преимущественной ориентацией 001. Износостойкий слой имеет в своем составе по меньшей мере слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной р-фазой в границах упомянутых зерен. Обеспечивается повышение стойкости режущего инструмента с покрытием, содержащим TiB₂. 9 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 пр.

1. Режущий инструмент (10) с износостойким покрытием (20), содержащий режущие кромки (12), образованные на пересечении передней (14) и задней (16) поверхностей твердосплавной основы (18) режущей части, в котором износостойкое покрытие (20) включает по меньшей мере структуру (22), сформированную из TiB₂, отличающийся тем, что структура (22), сформированная из TiB₂, содержит по меньшей мере последовательно нанесенные промежуточный слой (24) из TiB₂ и износостойкий слой (26) из TiB₂, причем промежуточный слой (24) имеет столбчатую металлографическую структуру с преимущественной ориентацией 001, а износостойкий слой (26) имеет в своем составе по меньшей мере слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной р-фазой в границах упомянутых зерен.

2. Режущий инструмент (10) по п. 1, отличающийся тем, что между твердосплавной основой (18) и структурой (22) из TiB₂ нанесен адгезионный слой (28), содержащий по меньшей мере один из нитридов металлов из ряда Ti, Zr, Nb, Cr, Hf, Та, Al, Mo и W.

3. Режущий инструмент (10) по п. 2, отличающийся тем, что адгезионный слой (28) выполнен из TiN толщиной, выбранной из диапазона 0,7-1,2 мкм, упомянутый промежуточный слой (24) - толщиной, выбранной из диапазона 0,3-1,2 мкм, а упомянутый износостойкий слой (26) - толщиной, выбранной из диапазона 2,0-5,1 мкм.

4. Режущий инструмент (10) по п. 1, отличающийся тем, что внутренние остаточные механические напряжения в износостойком слое (26) TiB₂ имеют значение, выбранное из диапазона (3,5-4,1) ГПа, а его микротвердость соответствует значению, выбранному из диапазона (40-60) ГПа при микротвердости промежуточного слоя (24) менее 40 ГПа.

5. Режущий инструмент (10) по п. 1, отличающийся тем, что промежуточный слой (24) выполнен в виде нанослоя, сформированного из TiB₂, или последовательно чередующихся нанослоев, сформированных из TiB₂.

6. Режущий инструмент (10) по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что износостойкий слой (26) дополнительно содержит по меньшей мере первый нанослой (30) из TiB₂ со столбчатой металлографической структурой с преимущественной ориентацией зерен 001, причем упомянутый слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной β-фазой в границах упомянутых зерен выполнен вторым нанослоем (32) из TiB₂, при этом упомянутые слои выполнены последовательно чередующимися.

7. Режущий инструмент (10) по п. 6, отличающийся тем, что микротвердость первого нанослоя (30) не равна микротвердости второго нанослоя (32).

8. Режущий инструмент (10) по п. 6, отличающийся тем, что микротвердость первого нанослоя (30) меньше микротвердости второго нанослоя (32).

9. Режущий инструмент (10) по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что износостойкий слой (26) дополнительно содержит по меньшей мере второй слой (36) из TiB₂ со столбчатой металлографической структурой с преимущественной ориентацией зерен 001, причем упомянутый слой с внутренней структурой с текстурированными наноколоночными зернами с ориентацией 001 с аморфной β-фазой в границах указанных зерен выполнен первым слоем (34) из TiB₂, причем упомянутые слои (34, 36) выполнены последовательно нанесенными.

10. Режущий инструмент (10) по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что он выполнен в виде сменной режущей пластины (10а, 10b) или цельного твердосплавного концевого инструмента (10c), или инструмента с механическим креплением сменных режущих пластин (10d).