Износостойкое покрытие режущего инструмента Советский патент 1990 года по МПК B23P15/28 

Изобретение относится к металлообработке, в частности к износостойким . покрытиям режущего инструмента.

Известно износостойкое . покрытие режущего инструмента из нитрида или карбида титана или циркония, в котором твердость увеличивается от подложки к покрытию за счет постепенного увеличе1шя в реакционной камере в процессе формирования покрытия концентрации реагента, содержащего неметаллический компонент покрытия: азот или углерод.

В известном покрытии кристаллическая решетка слоев, непосредственно прилежащих к подложке, может отличаться от .кристаллической решетки поверхностных, слоев. Однако известное покрытие не расслаивается в процессе эксплуатации, так как внутренние напряжения, развивающиеся в покрытии под действием сил резания, гасятся в более пластичных слоях.

(Л

Однако при зксплуатации это покрытие недостаточно стойко, так как оно включает обогащенные слои чистым металлом, более активным по отношению к обрабатываемому металлу, чем тугоплавкие соединения металлов. Для такого покрытия характерен адгезионный

со to износ.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является износо4 4 стойкое покрытие режущего инструмента, содержащее чередующиеся слои по

О) крайней мере двух тугоплавких соединений металлов.

Известное покрытие состоит из тугоплавких соединений титана с элементами С и/или N, имеющих кристаллическую решетку типа NaCl, и тугоплавкой окиси алюминия ,которая вне зависимости от .условия образования не кристаллизуется в решетке этого типа. Следовательно, тугоплавкие соединения , образующие слой известного износостойкойго покрытия, имеют кристаллические решетки разных структурных типов. Недостатком такого покрытия является сравнительно низкая стойкость, объясняемая его расслаивание под воздействием тепловых и динамических нагрузок в процессе эксплуатации. Расслаивание покрытия обусловлено двумя факторами. Во-первых, разнотипностью кристаллических решеток, из-за чего не все атомы тугоплавких соединений, находящихся на границе раздела слоев, оказываются взаимосвязанными валентными связями. Это приводит к возрастанию на границе раздела слоев, состоящих из туго плавких соединений с кристаллически в решетками разных типов, уровня свободной энергии, что активирует процессы миграции дефектов кристаллической структуры, Скоштения дефектов инициируют образование трещин и, в конечном , приводят к расслаиванию покрытия. Поскольку на границе раздела слоев сопрягаются кристаллические решетки разных типов, часть атомов занимает не характерные для них положения в узлах кристаллической решетки соединения, образунэдего соседний слой. Это повьш1ает уровень внутренних напряжений.в области сопряжения решеток разных типов, снижает силу межатомных связей и является вторым фактором, приводя1дам к расслаиванию покрытия. Цель изобретения - повышение СТОЙ кости покрытия. Поставленная цель достигается тем что в износостойком покрытии режущег инструмента, содержащем слои по край ней мере двух тугоплавких соединений металлов, покрытие выполнено из туго плавких соединений с кристаллическими решетками одного и того же структурного типа, На фиг,1 представлен общий вид предложенного многослойного покрытия нанесенного на основу; на схема соединения кристаллических решеток одного структурного типа на границе раздела соседних слоев пред ложенного покрытия; на фиг,3 - схема соединения кристаллических решеток разного структурного типа на границе раздела соседних слоев покрытияпрототипа. Покрытие 1 состоит из чередуюпщх- ся слоев 2,3 (фиг,1), состоящих по крайней мере из 2-х тугоплавких соединений, разделенных границами раздела 4, Слои покрытия нанесены на основу 5, Тугоплавкие соединения, образукгщие слои покрытий, могут не иметь общих элементов, но должны кристаллизоваться в решетке одного и того же структурного типа. Такая конструкция износостойкого покрытия позволяет свести до минимального значения действия указанных выше факторов, приводящих в расслаиванию покрытия, а именно: высокого уровня свободной энергии на границе раздела слоев; высокого уровня внутренних напряжений и снижения силы связей между атомами, находящимися на границе раздела слоев. Конструкция предложенного износостойкого покрытия позволяет использовать тугоплавкие соединения различных химических и физических свойств. При этом, благодаря одинаковому типу их кристаллических решеток, тепловые и динамические нагрузки при эксплуатации покрытия не вызывают разрыва межатомных связей на границе раздела его слоев, вследствие чего не пpoиcxo ц т расслаивания покрытия. Предложенное покрытие может быть нанесено любым известным в указанной области способом. Изобретение иллюстрируется следу|(Г щими примерами. На сверла из быcтpopeicyщeй стали Р6М5 были нанесены износостойкие покрытия способом конденсации с ионной бомбардировкой, согласно которому сверла помещали в камеру, где создавался вакуум с давлением (1-5)х рт,ст,, после чего в камере испарением по крайней мере одного металла, входящего в состав тугоплавких соединений, образующих слои покрытия, создавался пароплазмешшй по- ток металла. На сверла подавалось отрицательное напряжение 1-1,1 кВ, Воздейстшсем ионной составляющей пароплазменного потока металла прей вводилась очистка поверхности сверл и pasorpei их основы до температуры

520-540°С, Затем в камеру вводился газ-реагент при давлении (2-6) х X 10 мм рт.ст. Составы слоев покрытия формировались в процессе нанесения покрытия изменением испаряемого металла и состава газа-реагента, В процессе нанесения покрытия напряжение на сверлах регулировалось в диапазоне 200-300 В, Покрытие, состоящее из слоев соединений одного и того же металла с различными элементами из группы С,N,О,В,Si наносилось при испарении металла в присутствии различных газов-реагентов.

Покрытия, включающие чередующиеся слои тугоплавких соединений различных металлов, наносились при последовательном испарении в вакууме различных металлов, как в атмосфере одного и того же газа-реагента, так и при изменении его состаэа в процессе нанесения,

Варианты выполнения предложенного покрытия, включающего слои по крайней мере 2-х тугоплавких соединений металлов с элементами из группы С,N,О.В,Si, имеющих кристаллические рещетки одного и того же структурного типа, а также покрытия-прототипа, слои которого состоят из тугоплавких соединений, имеющих кристаллические решетки различных структуриых типов, а также результаты испытаний стойкости сверл с покрытием, представлены в таблице.

Покрытия наносились на партию сверл из стали Р6М5 5 мм. в количестве 15 шт. Толщина каждого покрытия - 5 мкм. Нанесение покрытий осуществлялось на установке Булат-ЗТ, При нанесении покрытий из нитридов, карбидов, окислов, боросилицидов в камеру вводился соответственно азот, ацетилен кислород, силан, диборан, Для нанесения слоев соединений, в состав которых входят несколько мет ал лов, в вакуумной камере испарялись сплавы этих металлов в присутствии газов-реагентов.

Покрытия испытывались при сверлении отверстий в стали Д5 глубиной

5 15 мм на-вертикально-сверлильном станке на режимах резания: V 45 м/мин,- S - 0,18 мм/об, 1 3d, охлаждение ЭТ-2, обильное. Критерий затупления - скрип сверла,

0 Испытания показали, что стойкость сверл с предложенным покрытием по сравнению с покрытием-прототипом и сверлами с наиболее широко распространенным в настоящее время покрытием

5 из Tic вьпне соответственно в 1,8 и 2,6 раза.

Покрытие может быть нанесено на металлы, твердые сплавы, керамику и другие материалы,

0 Технико-экономическая эффективность предложенного износостойкого покрытия изделия заключается в повы- щении его стойкости по сравнению со стойкостью покрытия-прототипа более

с чем в 1,7 раза.

Покрытие может быть нанесено на режущий инструмент, предназначенный для различных видов обработки материалов резанием.

иг.1

ИЗНОСОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ РЕ}Й ЩЕГО ИНСТРУМЕНТА, содержащее слон по крайней мере двух тугоплавких соединений металлов, отличающееся тем, что, с целью повышения стойкости покрытия, его слои выполнены из тугоплавких соединений с крис.таллическими решеткаьда одного и того же структурного типа.