Лезвийный инструмент

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Вершина Алексей Константинович Агеев Виталий Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Лезвийный инструмент, включающий режущую часть, отличающийся тем, что на режущую часть, выполненную из твердосплавного вольфрамокобальтового или титановольфрамокобальтового материала, нанесены подслой из титана и тугоплавкого азотсодержащего соединения титана, взятых в соотношении (50-90)(10-50), и износостойкое покрытие на основе нитридов, карбидов, оксидов, карбонитридов, оксикарбидов, оксинитридов или оксикарбонитридов тугоплавких металлов. 2. Лезвийный инструмент по п. 1, отличающийся тем, что подслой выполнен из титана и нитрида титана. 3. Лезвийный инструмент по п. 1, отличающийся тем, что подслой выполнен из титана и карбонитрида титана. 4. Лезвийный инструмент по п. 1, отличающийся тем, что подслой выполнен из титана и оксинитрида титана. 5. Лезвийный инструмент по п. 1, отличающийся тем, что подслой выполнен из титана и оксикарбонитрида титана. Предполагаемое изобретение относится к обработке материалов резанием твердосплавным инструментом, в частности вольфрамокобальтовыми и титановольфрамокобальтовыми режущими пластинами типа ВК и ТК с нанесенными на их поверхность специальными покрытиями, и может быть использовано в машиностроении, деревообработке и других отраслях промышленности. Известен режущий инструмент из стали и сплавов на основе железа, кобальта и никеля с покрытием, содержащим титан и инертный тугоплавкий материал, например окись титана, сформированным химико-термическим способом 1. Известен также лезвийный инструмент с покрытием, полученным путем диффузионного насыщения поверхности твердосплавного материала окислами титана, алюминия и циркония в вакууме 2. Известны режущие инструменты с износостойкими покрытиями, формируемыми газофаз 10171 1 2007.12.30 ными методами 3. Известны также лезвийные инструменты с износостойким покрытием на основе нитридов, карбидов, оксидов, карбонитридов, оксикарбидов, оксинитридов, оксикарбонитридов тугоплавких металлов, полученных осаждением продуктов электрической эрозии электродов в среде реакционноспособного газа пониженного давления 4-6. Наиболее близким по технической сути является лезвийный инструмент, рабочая часть которого представляет собой твердосплавную режущую пластину с износостойким покрытием на основе нитридов, карбидов, оксидов, карбонитридов, оксикарбидов, оксинитридов, оксикарбонитридов тугоплавких металлов, в частности титана, и металлосодержащим подслоем 7. Недостатком описанного лезвийного инструмента является низкая стойкость, обусловленная либо плохой адгезией, либо растрескиванием и крошением покрытия, а также необходимость реализации операции химического осаждения металлосодержащего подслоя. Задачей предполагаемого изобретения является повышение стойкости лезвийного инструмента. Поставленная задача решается за счет того, что в лезвийный инструмент, включающий режущую часть, на режущую часть из твердосплавного вольфрамокобальтового или титановольфрамокобальтового материала, нанесены подслой из титана и тугоплавкого азотсодержащего соединения титана, взятых в соотношении(50-90)(10-50), и износостойкое покрытие на основе нитридов, карбидов, оксидов, карбонитридов, оксикарбидов, оксинитридов или оксикарбонитридов тугоплавких металлов. Физическое обоснование необходимости формирования такого подслоя заключается в следующем. Известно, что в разрушении рабочих поверхностей инструмента значительную роль играет схватывание между обрабатываемым и инструментальным материалами,которое активнее протекает по мере возрастания температуры. Стойкость инструмента может быть повышена путем создания условий, способствующих уменьшению роли диффузионного износа с преобладанием адгезионного износа 8. Независимо от условий получения твердосплавных вольфрамокобальтовых или титановольфрамокобальтовых пластин, на их поверхности всегда имеется свободный углерод, который скапливается преимущественно на выступах, острых кромках, углах, т.е. именно на рабочей поверхности, снижая тем самым прочность и износостойкость инструмента. При высокоскоростном резании, когда на рабочей поверхности инструмента резко возрастает температура, свободный титан сформированного подслоя взаимодействует со свободным углеродом с образованием карбида титана. Таким образом, имеет место формирование твердого раствора -, значительно более пластичного, чем, например, , но более высокой твердости, чем . Кроме того, взаимная диффузия титана, вольфрама и углерода в процессе резания при высоких температурах приводит также к образованию твердого раствора , химически более инертного, чем , и имеющего более высокую твердость и очень низкую растворимость в железе (что имеет существенное значение, в частности, при контакте инструмента с деталью при металлообработке). Образующийся в данном случае твердый раствор служит своеобразным диффузионным барьером, препятствуя свариванию твердосплавной пластины с обрабатываемым материалом (например, сталью), а также замедляет образование наростов и лунок. Формирующийся твердый раствор характеризуется также несколько лучшей теплопроводностью, чем твердосплавной материал, что способствует более плавному распределению температуры по поверхности инструмента даже в случае локального (очагового) износа, т.к. оставшаяся часть подслоя продолжает осуществлять теплоотвод от контактных площадок. Все отмеченные явления оказывают положительное влияние на режущие свойства твердосплавных пластин, способствуя увеличению их стойкости. Выбор граничных значений ингредиентов, входящих в состав подслоя, производится,в основном, исходя из анализа экспериментальных данных по износостойкости металлорежущего инструмента (в частности токарного проходного прямого резца) с различными составами подслоя. 2 10171 1 2007.12.30 Пример. В лабораторных и производственных условиях проведены сравнительные испытания режущих пластин Т 15 К 6 и ВК 6 М с покрытиемтолщиной до 6 мкм и с дополнительно введенным подслоем толщиной 2 мкм из титана и нитрида титана с варьируемым соотношением ингредиентов при точении стали 40 Х и 12 Х 18 Н 9 Т со скоростью резания в широком интервале 50-350 м/мин, подачей 1,0-2,0 мм/об и глубиной резания 1-4 мм. Покрытия осаждали на установке УРМЗ.279.048, модифицированной путем встраивания системы сепарации плазмы. Подготовку поверхности твердосплавных пластин к нанесению покрытия осуществляли ионной бомбардировкой при потенциале смещения 1,5 кВ ионами материала катода (титан ВТ 1-00) в вакууме (0,001 Па). Слой карбида титана формировался при напуске в камеру пропанабутана при давлении 0,13 Па,токе дуги 120 А и потенциале смещения - 50 В (лезвийный инструмент по прототипу). При дополнительном введении подслоя из титана и нитрида титана с варьируемым соотношением ингредиентов (предлагаемый лезвийный инструмент) после ионной бомбардировки в камеру напускался азот до давления 0,06-0,1 Па и проводилось напыление подслоя, после чего этап ионной бомбардировки повторяли и осаждали слой карбида титана (в атмосфере пропана-бутана при давлении 0,13 Па) с последующим охлаждением. Общая толщина подслоя и покрытия составляла 6 мкм. Контроль температуры в процессе нанесения покрытия осуществляли с помощью термопары, зачеканенной в подложку. В таблице приведены результаты испытаний режущих пластин в зависимости от состава дополнительно введенного подслоя, содержащего чистый титан и нитрид титана. Аналогичные результаты были получены при дополнительном введении подслоя, содержащего чистый титан и другие тугоплавкие соединения титана (в частности, карбид, оксид, карбонитрид, оксикарбид, оксинитрид, оксикарбонитрид, которые представляют собой основное износостойкое покрытие), при указанном соотношении ингредиентов. Это позволяет изменять соотношение компонент в формируемом подслое изменением, например, давления реакционноспособного газа. Наиболее целесообразно использовать азотсодержащие композиции (карбонитрид, оксинитрид, оксикарбонитрид), как более пластичные по сравнению с оксидами и карбидами титана. Содержание ингредиентов подслоя,Увеличение стойкости при точении 1,2-1,6 (раз) 1,8-2,3 (раз) 1,8-2,5(раз) 1,1-1,2 (раз) Таким образом, предлагаемый лезвийный инструмент, изготовленный одним из наиболее простых и экономичных способов плазменно-вакуумного электродугового напыления, позволяет существенно увеличить срок службы твердосплавных режущих пластин. Источники информации 1. Патент Англии 1314528, 1973. 2. Конструирование и технология машиностроения. Труды американского общества инженеров-механиков, 1972. - С. 19. 3. Витязь П.А., Дубровская Г.Н., Кирилюк Л.М. Газофазное осаждение покрытий из нитрида титана. - Мн. Наука и техника, 1983. 4. Джеломанова Л.Г. Прогрессивные методы нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент Инструментальная и абразивная промышленность. - М. НИИмаш,1979. 3 10171 1 2007.12.30 5. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. - М. Машиностроение. 1993. - 336 с. 6. А.с. СССР 1172304. 7. А.с. СССР 1262845 (прототип). 8. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. - М. Машиностроение, 1976. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4