Способ комбинированного упрочнения лезвийного инструмента из быстрорежущей стали

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОГО УПРОЧНЕНИЯ ЛЕЗВИЙНОГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Авторы Вершина Алексей Константинович Агеев Виталий Александрович Пискунова Ольга Юрьевна(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(57) Способ комбинированного упрочнения лезвийного инструмента из быстрорежущей стали, включающий формирование упрочняющего покрытия на поверхности инструмента путем азотирования при давлении не ниже 6,65 Па в плазме газового вакуумного разряда и нанесения слоя азотсодержащих соединений титана в том же реакционном объеме при давлении 0,1-1,0 Па конденсационно-ионной бомбардировкой азотированной поверхности инструмента, отличающийся тем, что азотирование проводят в смеси аргона и азота, содержащей не более 10 ат.аргона, осуществляют нанесение слоя нитрида и/или оксинитрида, и/или карбонитрида, и/или оксикарбонитрида титана при изменении потенциала на инструменте от (- 1000) до (- 100) В по линейному закону. Изобретение относится к технологии нанесения износостойких и защитно-декоративных покрытий плазменно-вакуумными методами, в частности к способам формирования покрытия при конденсационно-ионной бомбардировке его поверхности (КИБ-метод), и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения лезвийного(металло- и дереворежущего) инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали. Известен способ комбинированного упрочнения инструмента, включающий азотирование подложки из быстрорежущей стали в тлеющем разряде и нанесение методом КИБ покрытия из нитрида титана 1. Недостатками данного способа являются низкая прочность сцепления между покрытием и азотированной подложкой, а также низкая производительность процесса упрочнения из-за необходимости проведения этапов азотирования и нанесения покрытия в различных реакционных технологических объемах. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ комбинированного упрочнения металлорежущего инструмента, принятый за прототип,12942 1 2010.02.28 включающий азотирование в плазме газового вакуумно-дугового разряда между обрабатываемым инструментом-анодом и дополнительным катодом и нанесение нитрида титана методом КИБ в одном реакционном объеме 2. Недостатком данного способа является низкая адгезионная прочность нитридтитанового покрытия из-за образования на поверхности азотированного слоя нитридной зоны,обладающей повышенной твердостью и хрупкостью. Как показали результаты исследований, именно наличие такой нитридной зоны под покрытием и является основной причиной снижения прочности его сцепления с подложкой из быстрорежущей стали. Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение стойкости режущего инструмента за счет повышения адгезии покрытия к обработанной инструментальной основе. Для достижения поставленной технической задачи в способе комбинированного упрочнения лезвийного инструмента из быстрорежущей стали, включающем формирование упрочняющего покрытия на поверхности инструмента путем азотирования при давлении не ниже 6.65 Па в плазме газового вакуумного разряда и нанесения слоя азотсодержащих соединений титана в том же реакционном объеме при давлении 1-0,1 Па конденсационноионной бомбардировкой азотированной поверхности инструмента, азотирование проводят в смеси аргона и азота, содержащей не более 10 аргона, осуществляют нанесение слоя нитрида и/или оксинитрида, и/или карбонитрида, и/или оксикарбонитрида титана при изменении потенциала на инструменте от (- 1000) до (- 100) В по линейному закону. В известном способе, реализующем процесс азотирования в плазме вакуумного разряда,газовая среда может состоять либо из одного азота, либо смеси азота с инертным газом. Наличие инертного газа, например аргона, в составе газовой среды интенсифицирует очистку и активацию обрабатываемой поверхности, что благоприятно сказывается на диффузионных процессах 3. В то же время состав газовой среды оказывает сильное влияние на структуру и свойства поверхностного слоя, формирующегося при ионном азотировании быстрорежущей стали в газовой плазме вакуумно-дугового разряда 4, 5. В частности, увеличение содержания азота в газовой смеси с аргоном приводит к увеличению твердости и хрупкости азотированного слоя, что связано с образованием на поверхности обрабатываемого изделия значительного количества нитридных фаз, препятствующих диффузии азота от поверхности в объем материала. Увеличение характеристик твердости и хрупкости поверхностного слоя обрабатываемого инструмента приводит к снижению адгезионной прочности формируемого впоследствии методом КИБ покрытия. С другой стороны, уменьшение содержания азота в газовой смеси требует пропорционального увеличения содержания инертного газа, ибо процесс азотирования в плазме вакуумно-дугового разряда может осуществляться в регламентированном интервале давлений газовой среды. Однако при увеличении содержания инертного газа соответствующим образом увеличивается время процесса азотирования, что отрицательно сказывается на производительности обработки. Кроме того,в этом случае уменьшается эффективная зона обработки, влияющая на градиентность свойств системы инструментальный материал - покрытие, от которой, в свою очередь, зависят стойкостные свойства инструмента. Основным преимуществом предлагаемой комбинированной обработки инструмента,включающей азотирование в газовой плазме вакуумно-дугового разряда и нанесение методом КИБ упрочняющего покрытия, является возможность формирования на этапе азотирования высокотвердых слоев нитридов и создания благоприятных условий для интенсивной диффузии азота при определенных режимах нанесения нитрида титана. Установлено, что при содержании аргона в составе газовой смеси, не превышающем 10 ат., на поверхности подложки в процессе азотирования при прочих равных условиях образуется слой с высокой концентрацией азота, твердость которого составляет 11,211,5 кН/мм 2 при исходной твердости быстрорежущей стали Р 6 М 5 8,8 кН/мм 2. В дальнейшем, на этапе нанесения покрытия, в частности, из нитрида титана, изменяя энергию ио 2 12942 1 2010.02.28 нов путем изменения потенциала на изделии от - 1000 В до - 100 В, обеспечиваются условия для активации указанного слоя и протекания процессов диффузии азота как в направлении инструментального материала, так и покрытия. Причем градиент свойств(твердость, пластичность) от основы инструмента к поверхности покрытия тем ниже, чем выше насыщенность азотом слоя, сформированного на этапе ионного азотирования. В результате обработки при указанных режимах формируется износостойкое покрытие, в частности, из нитрида титана, обладающее высокими адгезионными свойствами и стойкостными показателями при резании. Нанесение покрытия при отрицательном потенциале более 1000 В нецелесообразно из-за высокой скорости травления сформированного в результате азотирования нитридного слоя, а при потенциале смещения менее 100 В - из-за низкой скорости роста нитридсодержащего соединения, например нитрида титана, и нарушения его стехиометрического состава вследствие изменения теплофизических условий конденсации. Пример. Конкретный процесс комбинированного упрочнения инструмента из быстрорежущей стали Р 6 М 5 осуществляли в установке ВУ-2 МБС по принципиальной схеме, аналогичной описанной в 2. Проводимый рабочий процесс включал две операции азотирование режущих пластин при температуре 550 С в течение 30 мин в газовой смеси азота с аргоном при давлении 9,75 Па, причем содержание аргона составляло 10 ат., и нанесение упрочняющего покрытия нитрида титана в течение 20 мин при изменении потенциала на подложке от - 1000 В до - 100 В по линейному закону и при давлении азота в вакуумной камере 0,1 Па. Параллельно обрабатывались режущие пластины из стали Р 6 М 5 по способупрототипу. Затем проводились стойкостные испытания режущих пластин, упрочненных по предлагаемому способу и способу-прототипу при точении стали 40 Х на токарновинторезном станке модели 1 К 62. Условия резания изменялись так, чтобы охватить чистовые и получистовые условия обработки 100-250 м/мин 0,1-0,5 мм/об 1,03,0 мм. За критерий износа был принят износ по задней поверхности, равный 0,2 мм. В результате испытаний установлено, что средняя стойкость (мин) режущих пластин, упрочненных по способу-прототипу, составила 18 мин, а по предлагаемому способу 21,5 мин. Аналогичное повышение стойкости инструмента из быстрорежущей стали наблюдалось и при использовании покрытий из оксинитрид и/или карбонитрид, и/или оксикарбонитрид титана, нанесенных по предлагаемому способу. Источники информации 1. Патент 2015199, МПК С 23 С 8/36, 1994. 2. А.с. СССР 1605572, МПК С 23 С 12/00 (прототип). 3. Бабат-Захряпин А.А., Кузнецов Г.Д. Химико-термическая обработка в тлеющем разряде. - М. Атомиздат, 1975. - 176 с. 4. Григорьев С.Н., Волосова М.А., Климов В.Н. Модификация поверхности режущего инструмента из быстрорежущей стали путем вакуумно-плазменной обработки // Физика и химия обработки материалов. - 2005. -5. - С. 11-18. 5. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер Резание материалов Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. - М. Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001. - 448 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3