СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИНСТРУМЕНТА Советский патент 1995 года по МПК C23C12/00 

Изобретение относится к области металлургии, в частности химико-термической обработке с использованием метода конденсационно-ионной бомбардировки (КИБ) и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения металлорежущего инструмента, изготов- ленного из быстрорежущих сталей.

Цель изобретения повышение эксплуатационной стойкости обработанного инструмента.

На фиг. 1 показана схема осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 приведен график зависимости напряжения на электродах разряда от давления азота, анод установлен на расстоянии от катода а) 330 мм, б) 450 мм, в) 550 мм; на фиг. 3 график зависимости массы титана, сконденсированного на образцах, от давления азота, образцы установлены на расстоянии от катода а) 330 мм, б) 450 мм, в) 550 мм.

В вакуумной камере 1 расположены катод 2 электродугового испарителя металлов и электрод 3, являющийся анодом. Приспособление 4 для установки изделий 5 имеет возможность вращения вокруг оси от двигателя 6. К приспособлению через подвижный контакт 7 подводится токоподвод. Регулируемый источник 8 питания вакуумно-дугового разряда через ключ 9 положительным полюсом может подсоединяться либо к подвижному контакту 7, либо к аноду 3. Источник питания 10 своим отрицательным полюсом через ключ 11 соединен с подвижным контактом 7. Подача реактивного газа в установку осуществляется через игольчатый натекатель 12.

Способ осуществляется следующим образом.

Изделие 5 устанавливается в вакуумную камеру 1, вакуумная камера откачивается, в нее производится напуск азота и возбуждается вакуумно-дуговой разряд между изделием 5 (анодом и катодом). Источник 8 ключом 9 в положении "б" подсоединен к приспособлению 4 для установки изделий. Давление в рабочем объеме устанавливается не менее 6,65 МПа, при напряжении на электродах не менее 40 В. Когда температура изделия в результате электронного нагрева достигает рабочей (для инструмента из ст. Р6М5 500-550^оС) регулятор температуры переводит ключ 9 в положение "а", подсоединяя источник 8 к электроду 3. При этом нагрев изделия прекращается, но оно находится в области активной газовой плазмы, и интенсивность процесса азотирования не уменьшается. Регулирование температуры производится поочередным переключением ключа 9 из положения "а" в "б" с помощью термопары и регулятора температуры. При азотировании поддерживается напряжение на электродах разряда не менее 40 В при давлении азота не менее 6,65 Па. После окончания процесса азотирования натекатель 12 отключается, давление в вакуумной камере снижается до уровня 10^-3 Па, ключ 9 переводится в положение "а", включается источник питания 10 и замыкается ключ 11. При этом происходят бомбардировка поверхности ионами титана и ее ионное травление. Через 5-10 мин ионное травление прекращается, в вакуумную камеру напускается азот до давления 10^-1-1 Па и производится осаждение на азотированную поверхность покрытия из нитрида титана. Как следует из графиков на фиг.2 и 3 при напряжении 40 В вне зависимости от расстояния катода до обрабатываемого изделия осаждение массы металла на изделие практически ничтожно.

Сущность способа заключается в возможности использования газовой мишени для защиты азотируемого объекта от паров металла. При этом для заявляемого способа совершенно не имеет значения, в какой последовательности проводятся операции азотирования и нанесения покрытий. Оба эти метода (азотирование + покрытие и покрытие + азотирование) применяются в технологии и имеют свои достоинства и недостатки.

В известном способе, реализующем процесс азотирования в плазме вакуумно-дугового разряда, металлическая плазма задерживается на оптически непрозрачной перегородке, расположенной между катодом и изделием. При наличии перегородки испаритель нельзя использовать для нанесения покрытий. В предлагаемом способе роль перегородки между изделием и катодом берет на себя газ, находящийся при определенном давлении. Катод генерирует струи металлической плазмы, ионный компонент которой имеет энергию в несколько десятков электронвольт. При движении от поверхности катода ионы газа претерпевают соударения с молекулами газа и постепенно теряют свою энергию, что проявляется в уменьшении направленной скорости. Поскольку положение изделия в установке зафиксировано относительно катода, то необходимо подобрать такое давление газа, чтобы поток ионов полностью затормозился в пространстве между катодом и изделием. Мерой такого давления может служить напряжение между электродами вакуумно-дугового разряда, возбуждаемого между катодом и изделием.

Протекание электрического тока между анодом и катодом в вакуумно-дуговом разряде обеспечивается электронами металлической и газовой плазмы. При увеличении давления реактивного газа, когда толщина газовой мишени nL (n концентрация, L продольные размеры) становится достаточной, происходит эффективное рассеяние ионного компонента плазменного потока.

Конкретный процесс комбинированного упрочнения инструмента из быстрорежущей стали Р6М5 проводится в установке упрочнения режущего инструмента типа "Булат-6".

Ваккуумная камера установки имеет габаритные размеры диаметр 500 мм, длина 500 мм. Рабочий торец у титанового катода 2 отстоит от торца камеры на 200 мм. Ось приспособления для установки для изделия на расстоянии 250 мм от торца камеры. Диаметр изделия 240 мм. Поверхность цилиндра, на которую устанавливались режущие пластины, отстоит от катода на расстояние 330 мм. Проводимый рабочий процесс включает в себя две операции: азотирование режущих пластин из ст. Р6М5, расположенных на поверхности цилиндрического барабана, в течение 30 мин, при температуре 500^оС и токе разряда 80 А, и нанесение упрочняющего покрытия слоем нитрида натрия толщиной 5 мкм при температуре 500^оС в течение 40 мин при токе 100 А. Рабочее давление, при котором напряжение на электродах разряда равно 40 В составляет 6,65 Па.

Во время нанесения покрытия в момент ионной очистки ключ 9 находится в положении "а", ключ 11 замкнут, источник питания 10 включен, давление в объеме 6,65 ^. 10^-3 Па, напряжение на приспособлении 4 устанавливается 1000-1200 В. Время очистки 5 мин. Затем проводится до 200 В и производится напуск реакционного газа азота до давления 0,665 Па.

Проведены стойкостные испытания режущих пластин из быстрорежущей стали Р6М5 и твердого сплава Т5К10 с упрочняющими обработками по предлагаемому способу и способу-прототипу. Испытания проводили при точении стали 40Х на станке 1А62 с бесступенчатым регулированием числа оборотов шпинделя. Режимы резания: твердый сплав V 220 м/мин; S 0,3 мм/об; t 1 мм; быстрорежущая сталь: V 60 м/мин; S 0,3 мм/об; t 1 мм. За критерий износа был принят износ по задней поверхности, равный 0,2 мм (быстрорежущая сталь) и 0,5 мм (твердый сплав).

Предложенный способ позволяет провести два технологических процесса азотирование и нанесение покрытий в одном технологическом цикле в одной установке. Благодаря этому отпадает необходимость в проведении ряда повторяющихся операций, таких как загрузка-выгрузка, ионная очистка, нагрев, охлаждение. Это повышает производительность и технологичность процесса упрочнения. Кроме того, анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что использование данного способа обеспечивает повышение эксплуатационной стойкости обрабатываемого инструмента на 25-40% по сравнению с обработкой по известному способу.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Изобретение относится к области металлургии, в частности химико-термической обработке с использованием метода конденсационно-ионной бомбардировки (КИБ), и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения металлорежущего инструмента, изготовленного из быстрорежущих сталей. Цель повышение эксплуатационной стойкости обработанного инструмента. Способ химико-термической обработки инструмента включает стадии нанесения нитрида титана 10^-1-10^° Па и азотирования при давлении не ниже 6,65 Па, при этом азотирование и нанесение покрытия из нитрида титана производят в одном реакционном объеме. Использование данного способа позволяет провести два технологических процесса азотирование и нанесение нитрида титана в одном технологическом цикле и в одной установке, а также обеспечивает повышение эксплуатационной стойкости обработанного инструмента на 25-40% по сравнению с обработкой по известному способу. 3 ил. 1 табл.

СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИНСТРУМЕНТА, включающий нанесение методом конденсационно ионной бомбардировки на обрабатываемое изделие нитрида титана и азотирование в плазме газового вакуумно дугового разряда между обрабатываемым изделием анодом и дополнительным катодом, отличающийся тем, что, с целью повышения эксплуатационной стойкости обработанного инструмента, азотирование и нанесение нитрида титана производят в одном реакционном объеме, причем азотирование проводят при давлении не ниже 6,65 Па, а нанесение нитрида титана при 10^-1 10⁰ Па.