Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к металлообработке, а именно к металлорежущему инструменту, который включает режущую пластину из спеченного твердого сплава с износостойким покрытием.

Известны режущие пластины с многослойными покрытиями из тугоплавких соединений (Верещака А.С. Работоспособность инструмента с износостойким покрытием. М: Машиностроение, 1993. - 336 с.), в частности двухслойное покрытие TiC+Ti(CN), т.е. из карбидов титана и карбонитридов титана осаждением из газовой фазы. Такое покрытие позволяет повысить работоспособность режущей пластины до 2…3 раз при обработке конструкционных сталей, чугунов. Покрытия наносят осаждением из газовой фазы толщиной 5…6 мкм. Считается, что недостатком такого метода осаждения износостойкого покрытия является образование между подложкой и нижним слоем покрытия из TiC хрупкой η-фазы, что способствует отслаиванию покрытия и снижению износостойкости режущих пластин.

В качестве прототипа принят способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента (патент РФ №2410466, С23С 14/24Б B23B 27/14, опубл. 27.01.2011). Способ включает вакуумно-плазменное нанесение двухслойного покрытия, в качестве нижнего слоя наносят нитрид титана и молибдена или нитрид титана и хрома, или нитрид титана и ниобия при температуре 600°C и при давлении азота в камере установки 7,5·10^-4 Па, а в качестве второго слоя - такой же нитрид, легированный цирконием при снижении температуры до 500°C и давления 4,3·10^-4 Па. Наносят нижний слой толщиной 40-50% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет 5-8 мкм.

Режущая пластина, изготовленная по такому способу и с таким покрытием, позволяет повысить износостойкость в 1,5…2 раза по сравнению с режущей пластиной с покрытием TiC-Ti(CN) при обработке как конструкционных, так и трудообрабатываемых материалов. Этот результат связан с тем, что верхний слой покрытия является многокомпонентным.

Однако недостатком такого вида режущей пластины является низкий прирост износостойкости. Это связано с тем, что, как показало наше исследование, нижний слой покрытия имеет низкую адгезию с твердосплавной подложкой и твердость, т.к. нитриды титана и молибдена, либо нитриды титана и хрома, либо нитриды титана и ниобия, вследствие высокой температуры плавления молибдена и ниобия, не обладают высокой растворимостью как с карбидами твердосплавной основы, так и с кобальтом. Кроме того, при таком давлении азота формируются нитриды нестехиометрического состава, т.е. с низкой твердостью. Это приводит к быстрому разрушению нижнего слоя после износа верхнего слоя покрытия. Таким образом, низкая адгезия границы раздела нижнего слоя покрытия с подложкой и его невысокая твердость снижают работоспособность покрытия в целом. Поскольку указанные элементы, например, молибден, ниобия являются тугоплавкими, то их не нужно использовать при осаждении нижнего слоя. Температуру осаждения верхнего слоя покрытия также не следует снижать, т.к. при этом в них формируется пористость.

Указанные недостатки известного способа, как при осаждении нижнего слоя, так и верхнего, снижают работоспособность режущей пластины в целом, особенно при резании нержавеющих и жаропрочных материалов.

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Решаемая задача - совершенствование режущих пластин с покрытием.

Технический результат - повышение износостойкости режущих пластин за счет изменения способа изготовления, в частности, как при осаждении состава нижнего слоя покрытия, так и при осаждении верхнего слоя покрытия.

Этот технический результат достигается тем, что в способе изготовления режущих пластин, включающем осаждение вакуумно-плазменным методом на твердосплавную основу двухслойного покрытия, в качестве нижнего слоя при температуре 600°C и давлении азота в камере установки 4,3·10^-4 Па наносят нитриды, а в качестве верхнего слоя - нитриды, легированные цирконием, в качестве нижнего слоя наносят нитриды титана и алюминия, а в качестве верхнего слоя легированные цирконием нитриды ниобия и молибдена или ниобия и алюминия, оба слоя наносят при температуре 600°C и давлении азота 4,3·10^-4 Па. После нанесения верхнего слоя из камеры откачивают азот, впускают воздух и охлаждают камеру вместе с режущими пластинами.

Используемые при осаждении нижнего слоя легированные цирконием нитриды титана и алюминия менее тугоплавки, чем используемые в прототипе, повышают адгезию их с твердосплавной подложкой и в целом работоспособность покрытия. Одинаковая температура и давление азота при осаждении обоих слоев исключает формирование нитридов нестехиометрического состава, которые снижают твердость.

В предлагаемом способе после осаждения верхних слоев, в отличие от известного, азот откачивали, впускали воздух и охлаждали камеру установки вместе с режущими пластинами. В результате, как показали микро-рентгено-спектральные исследования, в верхних слоях покрытия формируются еще и оксинитриды, а пористость отсутствует, что также способствовует повышению износостойкости режущих пластин.

Пример осуществления способа.

Изготавливали режущие пластины, где на основу (подложку) из твердого сплава ТТ10К8Б методом КИБ осаждали двухслойные покрытия по 3 мкм каждого слоя. Перед напылением пластины подвергали ультразвуковой обработке и промывке ацетоном и спиртом. Затем пластины помещали в вакуумную камеру установки Булат-6, снабженной тремя испарителями. Камеру откачивали до давления 6,65·10^-3 Па, включали поворотное устройство и подавали на него отрицательное напряжение 1,1 кВ. Затем включали один из испарителей и при токе дуги 100 А проводили ионную очистку и нагрев пластин до температур 600±30°C. Включали два испарителя, содержащие два катода: из титана и алюминия и подавали реакционный газ-азот, осаждая слоя нитрида (AlTi)N при давлении 4,3×l04 Па толщиной 3 мкм в течении 18 мин при температуре 600°С. Нижний слой формировали из нитридов титана и алюминия, а верхний слой осаждали из нитридов ниобия и молибдена или ниобия и алюминия, но их получали трехкомпонентными, т.к. они содержали и цирконий, причем осаждение верхнего слоя проводили при том же давлении азота, т.е. при 4,3×10^-4 Па при температуре 600°С. После осаждения верхнего слоя из камеры откачивали азот и впускали воздух, охлаждая камеру установки вместе с режущими пластинами до полного остывания.

Осаждали также такие же двухслойные покрытия по известному способу, где давление азота при осаждении нижних и верхних слоев составляло 7,5·10^-4 Па при температуре 600°С±30.

Результаты испытаний пластин приведены в таблице.

Осуществляли точение жаропрочной стали Х18Н9Т. Режим резания: скорость резания V=50 м/мин, глубина резания t=2 мм, подача - S=0,21 мм/об. Определяли Т-время резания при достижении износа режущей пластины по задней поверхности h3=0,4 мм. Испытаниям подвергали предлагаемые четырехгранные режущие пластины и режущие пластины по прототипу. Результаты испытания покрытий приведены в таблице.

Осуществляли также осаждение и испытания других видов покрытия по известному способу (патент №2410466), т.е. где нижние слои содержали нитриды титана и хрома, либо нитриды титана и молибдена, а верхние слои те же нитриды, что и в нижних слоях, но и легированные еще цирконием. Но их работоспособность оказывалась ниже, чем покрытия по предлагаемому способу.

По результатам испытаний режущих пластин, приведенных в таблице, видно, что режущая пластина, изготовленная по предлагаемому способу, обеспечивает повышение износостойкости до 2 раз. Преимущество предлагаемого способа изготовления режущей пластины: обеспечивается как высокая адгезия нижнего слоя покрытия с основой, так и его твердость. В результате оно становится более износостойким и оказывает сопротивляемость разрушению после износа верхнего слоя покрытия.