Результат интеллектуальной деятельности: ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ И ДАВЛЕНИЕМ

Изобретение относится к инструментальным материалам, в частности, к инструменту для обработки металлов резанием и давлением с упрочняющими покрытиями.

Известен инструмент для обработки металлов резанием, представляющий собой неперетачиваемые пластины различных форм, выполненные из твердосплавных материалов с покрытием из нитрида титана, осажденным из газовой фазы [Витязь П.А., Дубровская Г.Н., Кириллюк Л.М. Газофазное осаждение покрытий из нитрида титана. - Минск: Наука и техника, 1983. - 96 с.]. В качестве твердосплавной основы может использоваться, например, сплав ВК6. Повышение стойкости инструмента достигается за счет высокой твердости покрытия. Инструмент имеет ряд недостатков. Слой нитрида титана является хрупким и изнашивается путем растрескивания и выкрашивания. Материал инструмента не обладает достаточно высокой теплопроводностью, что приводит к ограничению скорости резания.

Известен также инструмент для обработки металлов резанием, изготовленный из стали Р18, Р6М5, с цианированным поверхностным слоем, толщина которого составляет для резьбовых фрез и метчиков 10...15 мкм, для зенкеров и сверл 15...20 мкм [Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник/ Борисенок Г.В., Васильев Л.А., Ворошнин Л.Г. и др. - М.: Металлургия, 1981. - 427 с.]. Недостатками такого инструмента являются низкая теплопроводность и хрупкость цианированного слоя.

Наиболее близким по достигаемому положительному эффекту является инструмент с покрытием на основе карбида (SiC) и диоксида (Si₂O) кремния, полученным путем ионно-плазменного напыления [Камененва А.Л. Структура и свойства покрытий, получаемых в условиях низкотемпературного плазменного синтеза на быстрорежущих сталях и твердых сплавах: Автореф. дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. - Пермь: Пермский гос. технол. ун-т, 2002. - 20 с.]. В качестве основы используется сталь Р6М5, либо сплав ВК8. Положительный эффект достигается за счет того, что покрытие улучшает морфологию упрочняемой поверхности, уменьшает тепло-перенос в инструментальную матрицу, сдвигает процесс деформирования в область более высоких температур, способствуя сохранению прочности материала инструмента и уменьшению износа его режущей части. В результате стойкость инструмента возрастает в 1,4...3 раза. Инструмент имеет следующие недостатки. Оксидно-карбидное покрытие является хрупким и имеет недостаточно высокую прочность сцепления с основой, поэтому изнашивание инструментального материала происходит путем растрескивания и отслаивания покрытия. Материал не обладает достаточно высокой теплопроводностью, что приводит к ограничению скорости резания. Карбидные покрытия не обладают хорошей паяемостью, и это затрудняет крепление пластин на инструменте.

Задачей изобретения является повышение стойкости инструмента и производительности процесса обработки металлов резанием и давлением.

Поставленная задача решается предлагаемым инструментом для обработки металлов резанием и давлением, включающим твердосплавную или стальную основу и упрочняющее покрытие, который, в отличие от известного, в качестве упрочняющего покрытия содержит медно-никелевый диффузионный слой, полученный путем диффузионного насыщения в расплаве эвтектики свинец-литий с добавкой меди и никеля. Расплав эвтектики свинец-литий содержит по массе 5...10% меди и 2...3% никеля. Температура диффузионного насыщения составляет 1000...1200°С.

Техническим результатом является снижение хрупкости металла инструмента и снижение температуры его рабочих поверхностей в процессе обработки металлов резанием.

Медно-никелевое покрытие, обладающее высокой теплопроводностью, обеспечивает интенсивный отвод тепла от рабочих поверхностей инструмента. За счет этого, например, при высоких скоростях резания материал не разупрочняется, и инструмент долгое время сохраняет износостойкость и режущие свойства. В процессе резания материал покрытия подвергается наклепу и интенсивно упрочняется, что препятствует истиранию поверхностного слоя. Кроме того, он обладает повышенной вязкостью, вследствие которой уменьшается склонность поверхностного слоя к растрескиванию и выкрашиванию.

Наличие переходных диффузионных слоев обеспечивает прочность сцепления покрытия с основой, что исключает отслаивание покрытия в процессе эксплуатации, свойственное для напыленных покрытий.

По коэффициенту линейного расширения медно-никелевые покрытия совместимы с большинством инструментальных сталей и сплавов. Это выгодно отличает предлагаемый материал от известных материалов с карбидными и нитридными покрытиями и позволяет инструменту работать в более жестких условиях.

Медно-никелевое покрытие обеспечивает хорошую паяемость, которая позволяет крепить твердосплавные пластины пайкой в отличие от пластин с карбидными и нитридными покрытиями. Твердосплавные пластины с медно-никелевыми покрытиями имеют хороший товарный вид. При износе покрытия возможно повторное его нанесение.

Пример 1. Инструмент для обработки металлов резанием в виде неперетачиваемой твердосплавной пластины из сплава ВК8 с диффузионным медно-никелевым покрытием. Нанесение медно-никелевого покрытия осуществляют путем диффузионного насыщения в жидкометаллической ванне, содержащей расплав эвтектики свинец-литий (по массе 99,25% Pb и 0,75% Li) с добавкой по массе 10% меди и 3% никеля. Температура насыщения составляет 1150°С, продолжительность выдержки 0,5 ч. В результате на поверхности твердосплавной основы получают медно-никелевое диффузионное покрытие толщиной 10...15 мкм.

Наличие медно-никелевого покрытия на поверхности инструмента обеспечивает в процессе резания снижение температуры режущей кромки на 300°С и более в зависимости от обрабатываемого материала. Даже в случае износа покрытия на передней поверхности, при его сохранении на задней поверхности обеспечивается отвод тепла от режущей кромки. При точении алюминиевых сплавов не наблюдается схватывания обрабатываемого материала с поверхностью инструмента, которое свойственно для известных инструментальных материалов.

В результате нанесения диффузионных медно-никелевых покрытий стойкость инструмента возрастает на величину от 2 до 10 раз в зависимости от обрабатываемого материала.

Пример 2. Накатной ролик, устанавливаемый в гидромеханический скважинный перфоратор, предназначенный для создания перфорационных щелей в обсадных трубах нефтяных скважин. На поверхность накатного ролика, изготовленного из стали Х12М, в целях повышения его прочности, износостойкости и коррозионной стойкости наносят медно-никелевое диффузионное покрытие. Диффузионное насыщение проводят в расплаве эвтектики свинец-литий с добавкой по массе 10% меди и 3% никеля. Температура насыщения составляет 1100°С, продолжительность выдержки 0,5 ч. В результате на поверхности накатного ролика получают медно-никелевое диффузионное покрытие толщиной 25...30 мкм. Наличие медно-никелевого покрытия способствует увеличению стойкости накатного ролика до 3 раз по сравнению с инструментом без покрытия.