Способ комплексной ионно-плазменной обработки металлорежущих инструментов из быстрорежущей стали Российский патент 2024 года по МПК C23C28/00 C23C14/16 C23C14/24 C23C8/26 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к получению износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойких покрытий и может быть использовано для повышения надежности и долговечности широкого ассортимента металлорежущего инструмента.

Известен способ упрочнения инструмента, по которому перед ионным азотированием и после него дополнительно проводят обработку инструментальной основы аргоновой плазмой тлеющего разряда, что сначала позволяет удалить тонкий дефектный поверхностный слой, тем самым улучшая условия азотирования снижением неблагоприятных растягивающих остаточных напряжений в поверхностном слое инструмента, а после азотирования позволяет выполнить тщательное ионное травление поверхности основы, освободив ее от тонкого (толщиной около 1 мкм) слоя нитридов и следов окислов, возникающих в процессе азотирования и обуславливающих из-за своей химической инертности ухудшение адгезии покрытия к основе. Затем после переноса изделия в камеру ионно-плазменного нанесения и после очистки и нагрева основы выполняют осаждение многослойного покрытия из нитрида титана или подобных соединений. Способ комплексной обработки существенно повышает надежность и сопротивление инструмента знакопеременным нагрузкам, возникающим в процессе резания (RU №2026419 C1, МПК C21C 14/38, опубл. 09.01.1995).

Недостатком способа является то, что ионное азотирование и нанесения покрытия происходят в раздельном процессе, что увеличивает время обработки и снижает адгезионную прочность покрытия к поверхности инструмента за счет образования оксидов после азотирования.

Известен способ упрочнения инструмента из быстрорежущей стали, включающий в себя объемную термообработку, состоящую из закалки и низкотемпературного отпуска, упрочнение рабочих поверхностей инструмента лазерной закалкой, кратковременный отпуск путем нагрева инструмента в печи в течение от 3 до 5 минут при температуре от 550 до 560°С и чистовую механическую обработку оплавленных поверхностей. (RU №2620656 C1, МПК C21D 9/22, C21D 1/09, опубл. 29.05.2017).

Недостатком известного способа является большая длительность обработки, связанная с выполнением нескольких операций.

Известен способ нанесения покрытия на поверхность стального изделия, включающий в себя ионную очистку поверхности изделия и вакуумной камеры в среде инертного газа, ионное травление и ионно-плазменное азотирование поверхности изделия, нанесение покрытия методом физического осаждения из паровой фазы. Ионное травление и азотирование поверхности изделия проводят одновременно с использованием дуальной магнетронной распылительной системы в качестве источников аргоновой плазмы с увеличенной плотностью потока ионов на изделии при нагреве изделия до температуры 370-430°С с одновременной подачей газа азота. Нанесение покрытия методом физического осаждения из паровой фазы проводят последовательным чередованием микрослоя из хрома общей толщиной 0,5-1,5 мкм и микрослоя из нитрида хрома общей толщиной 2-3 мкм до получения покрытия общей толщиной 5-30 мкм (RU №2660502 C1, МПК C23C 14/06, C23C 14/48, опубл. 06.07.2018).

Однако известный способ не обеспечивает требуемое качество покрытия в связи с низкой температурой процесса азотирования.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ ионно-плазменной обработки поверхности металлорежущего инструмента, изготовленного из порошковой быстрорежущей стали. Способ включает очистку, нагрев поверхности инструмента до температуры насыщения порошковой быстрорежущей стали, ионное азотирование в атмосфере азота или в азотсодержащем газе и нанесение сложнолегированного покрытия из нитридов тугоплавких металлов. Очистку проводят с прогревом поверхности инструмента до 220-260°С, нагрев поверхности инструмента до температуры насыщения порошковой быстрорежущей стали проводят таким образом, чтобы она не превышала температуру отпуска стали, а после азотирования проводят ионное травление в течение 5-7 мин. (RU №2413793, МПК C23C 26/00, C23C 14/06, опубл. 10.03.2011).

Недостатком способа, принятого за прототип, является то, что нанесение покрытия осуществляется при помощи составного катода, что повышает сложность процесса обработки, за счет трудности его изготовления.

Технический результат заключается в повышении физико-механических свойств инструмента путем азотирования плазменным источником с накальным катодом и последующим нанесением композиционного многослойного покрытия в едином технологическом цикле.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе комплексной ионно-плазменной обработки металлорежущих инструментов из быстрорежущей стали, включающем нагрев поверхности инструмента до температуры насыщения быстрорежущей стали, ионное азотирование в азотсодержащем газе, в отличие от прототипа ионное азотирование проводят при температуре 450-480°С и давлении 1⋅10^-3 - 1⋅10^-2 Па, после чего наносят многослойное композиционное покрытие системы TiAl/TiAlN, состоящее из адгезионного слоя Ti, переходного слоя TiAl и функционального слоя TiAlN, в едином технологическом цикле.

Способ осуществляют следующим образом:

В вакуумной камере устанавливают предварительно обезжиренный обрабатываемый металлорежущий инструмент из быстрорежущей стали, например метчик из инструментальной стали Р6М5. Затем в камере создают рабочее давление равное 1⋅10^-3 - 1⋅10^-2 Па. На первом этапе проводят ионную очистку в среде инертного газа Ar. Следующим этапом формируют диффузионный слой в среде азотосодержащего газа, например, в смеси газов Ar/N₂ при температуре 450-480°С. Далее, при том же давлении наносят многослойное композиционное покрытие TiAl/TiAlN, состоящее из адгезионного слоя Ti, переходного слоя TiAl и функционального слоя TiAlN. В отличие от известных способов, весь процесс обработки осуществляют в одной вакуумной камере, не извлекая обрабатываемого инструмента, в едином технологическом цикле. Предложенные режимы обработки обеспечивают повышенную адгезию покрытия и увеличение износостойкости поверхности. Процесс азотирования до температуры ниже 450°С недостаточен для формирования диффузионного слоя, а выше 480°С приводит к разупрочнению поверхности быстрорежущей стали в связи с нарушением структуры поверхностного слоя.

Для проведения сравнительных испытаний на металлорежущий инструмент из быстрорежущей стали Р6М5 было нанесено покрытие по способу, предложенному в прототипе и разработанная, согласно изобретению, комплексная ионно-плазменная обработка. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1

Технология обработки Интенсивность изнашивания (мм3 / (Н⋅м)) Критическая нагрузка разрушения покрытия, Н Обработка по прототипу 3.81e-5 18 Комплексная ионно-плазменная обработка 2.38e-5 22.8

Проведенные испытания показывают, что применение комплексной ионно-плазменной обработки в указанных режимах позволяет увеличить адгезию покрытия и износостойкость поверхности по сравнению с нанесением покрытия без предварительного ионного азотирования.

Итак, заявляемое изобретение позволяет обрабатывать металлорежущие инструменты из быстрорежущей стали и может быть использовано для повышения надежности и долговечности широкого ассортимента металлорежущего инструмента.

Изобретение относится к способу комплексной ионно-плазменной обработки металлорежущих инструментов из быстрорежущей стали. Указанный способ включает очистку, нагрев поверхности упомянутого инструмента до температуры насыщения быстрорежущей стали и ионное азотирование в азотсодержащем газе. Ионное азотирование проводят при температуре 450-480°С и давлении 1·10^-3-1·10^-2 Па. Затем наносят многослойное композиционное покрытие системы TiAl-TiAlN, состоящее из адгезионного слоя Ti, переходного слоя TiAl и функционального слоя TiAlN, в едином технологическом цикле. Обеспечивается повышенная адгезия покрытия и увеличение износостойкости поверхности режущего инструмента. 1 табл.

Способ комплексной ионно-плазменной обработки металлорежущих инструментов из быстрорежущей стали, включающий очистку, нагрев поверхности упомянутого инструмента до температуры насыщения быстрорежущей стали и ионное азотирование в азотсодержащем газе, отличающийся тем, что ионное азотирование проводят при температуре 450-480°С и давлении 1·10^-3–1·10^-2 Па, после чего наносят многослойное композиционное покрытие системы TiAl-TiAlN, состоящее из адгезионного слоя Ti, переходного слоя TiAl и функционального слоя TiAlN, в едином технологическом цикле.