Способ нанесения покрытия на металлорежущий инструмент Российский патент 2022 года по МПК C23C14/06 C23C14/16 C23C14/46 C23C8/36 B32B15/04 

Изобретение относится к способу упрочнения режущего инструмента осаждением самозатачиваемых покрытий системы TiAl(O, C, N) и может быть использовано в инструментальном производстве.

Известен способ нанесения высокотемпературного покрытия на режущий инструмент, по которому на твердосплавные пластины наносят защитное покрытие толщиной 1-12 мкм из нитридов металлов, после чего проводят микродуговое оксидирование (патент РФ № 2679857, МПК C23C 28/04, опубл. 13.02.2019).

Недостатком такого способа является сложность нанесения покрытия, из-за его комплексного многокомпонентного состава.

Известен способ нанесения износостойкого покрытия на режущий инструмент, по которому на поверхности инструмента верхним слоем наносят (Ti, Zr)N, промежуточным слоем - TiCN, а в качестве нижнего слоя - TiN (патент РФ № 2250931, МПК С23С 14/06, опубл. 27.04.2005).

Недостатком аналога является сложность точного контроля толщины каждого слоя.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ нанесения композиционного покрытия на деталь из инструментальной стали. Способ включает предварительное обезжиривание поверхности, помещение в вакуумную камеру, ионную очистку детали в среде инертного газа, нагрев формирование диффузионного слоя в азотосодержащем газе при напряжении 500-700 В, осаждение в среде инертного газа адгезионного слоя из титана, нанесение переходного слоя из TiAl и функционального слоя системы Ti-Al, состоящего из комбинации трех слоев TiAlC, TiAlO и TiAlN(патент РФ № 2756960, МПК С23С 28/00, опубл. 07.10.2021).

Недостатком данного способа, принятого за прототип, является низкая адгезия между функциональными слоями, что приводит к более быстрому износу.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение - увеличение ресурса работы металлорежущего инструмента.

Технический результат, на решение которого направлено заявляемое изобретение - повышение физико-механических свойств детали путем нанесения покрытия при одновременном напуске трех реакционных газов (кислород, азот, ацетилен).

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в способе нанесения покрытия на металлорежущий инструмент, включающий помещение обрабатываемого металлорежущего инструмента в вакуумную камеру, ионную очистку в среде инертного газа и нанесение слоя титана в среде инертного газа, отличающийся тем, что ионную очистку в среде инертного газа сначала проводят с использованием плазменного источника с накальным катодом, а затем с использованием электродугового испарителя, и после слоя титана наносят основной износостойкий слой при одновременном распылении Ti и Al в среде азота, кислорода и ацетилена в качестве реакционных газов с формированием матрицы из интерметаллидных фаз TiAl, Ti₃Al, TiAl₃ и наполнителя в виде TiN, AlN, TiC, AlC, Ti₂O, Al₂O₃.

Примеры конкретной реализации способа

Пример 1. В вакуумной камере устанавливают обрабатываемую деталь, например, твердосплавные фрезы. Затем в камере создают давление, равное 5⋅10^-3 Па. После этого в камеру напускают аргон до давления 2⋅10^-1 Па. На первом этапе проводят ионную чистку плазменным источником с накальным катодом в среде Ar, при этом детали нагревают до температуры 300-350°С. Очистку проводят в течение 30 минут. Далее проводят ионную очистку электродуговым испарителем с титановым катодом в среде инертного газа при нагреве поверхности до температуры 400-450°С. Далее в среде аргона при том же давлении наносят первый слой из Ti дуговым испарителем с титановым катодом для лучшей адгезии в течение 5 минут. Основной износостойкий слой наносят при одновременном распылении Ti и Al в среде реакционных газов азота, кислорода, ацетилена и аргона при давлении 3⋅10^-1 Па. При этом в покрытии формируются интерметаллидные фазы TiAl, Ti₃Al, TiAl₃, которые являются матрицей, и наполнитель (армирующей элемент) в виде соединения титана и алюминия с азотом, кислородом и углеродом TiN, AlN, TiC, AlC, Ti₂O, Al₂O₃.

Итак, заявляемое изобретение позволяет формировать на поверхности инструмента покрытие, состоящее из интерметаллидной матрицы и армирующих элементов в виде твердых фаз, которое позволяет повысить стойкость металлорежущего инструмента.

Изобретение может быть использовано в инструментальном производстве при упрочнении режущего инструмента путём осаждения самозатачиваемых покрытий. Обрабатываемый металлорежущий инструмент помещают в вакуумную камеру и производят его ионную очистку в среде инертного газа сначала с использованием плазменного источника с накальным катодом, а затем с использованием электродугового испарителя. После очистки наносят слой титана в среде инертного газа, а затем - основной износостойкий слой при одновременном распылении Ti и Al в среде азота, кислорода и ацетилена в качестве реакционных газов с формированием матрицы из интерметаллидных фаз TiAl, Ti₃Al, TiAl₃ и наполнителя в виде TIN, AlN, TiC, AlC, Ti₂O, Al₂O₃. Изобретение позволяет увеличить ресурс работы металлорежущего инструмента за счёт улучшения его физико-механических свойств, например адгезии между слоями и уменьшения износа. 1 пр.

Способ нанесения покрытия на металлорежущий инструмент, включающий помещение обрабатываемого металлорежущего инструмента в вакуумную камеру, ионную очистку в среде инертного газа и нанесение слоя титана в среде инертного газа, отличающийся тем, что ионную очистку в среде инертного газа сначала проводят с использованием плазменного источника с накальным катодом, а затем - с использованием электродугового испарителя, и после слоя титана наносят основной износостойкий слой при одновременном распылении Ti и Al в среде азота, кислорода и ацетилена в качестве реакционных газов с формированием матрицы из интерметаллидных фаз TiAl, Ti₃Al, TiAl₃ и наполнителя в виде TIN, AlN, TiC, AlC, Ti₂O, Al₂O₃.