Способ упрочнения лезвийного инструмента

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ЛЕЗВИЙНОГО ИНСТРУМЕНТА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Агеев Виталий Александрович Беляев Геннадий Яковлевич Вершина Алексей Константинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ упрочнения лезвийного инструмента, включающий нанесение на режущую часть инструмента, выполненную из сплава на основе железа, износостойкого покрытия,содержащего титан и инертный тугоплавкий материал на основе соединения титана, в частности оксида и/или оксикарбонитрида титана, отличающийся тем, что перед нанесением износостойкого покрытия осуществляют кипячение инструмента в течение 25-35 мин в водном растворе, содержащем 50-150 г/л молибденового ангидрида, после чего промывают, сушат и активируют в вакууме поверхность инструмента воздействием на режущую часть ионами титана с энергией 0,5-3,0 кэВ в течение 0,5-5 мин при плавном понижении энергии ионов до 0-150 эВ и постепенном повышении давления рабочего газа с последующим формированием слоя, содержащего соединения титана. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что активацию поверхности осуществляют сепарированным потоком ионов титана, сформированным в условиях электродугового вакуумного разряда. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слой из соединений титана выполняют содержащим 5-30 атомарного титана. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слой, содержащий соединения титана, выполняют толщиной 1-10 мкм. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нанесение износостойкого покрытия осуществляют способом конденсации с ионной бомбардировкой при постепенном повышении давления рабочего газа, содержащего кислород и/или азот, и/или углеводород, до 0,133 Па. Заявляемое изобретение относится к обработке материалов резанием лезвийным инструментом и может быть использовано в машиностроении, деревообработке и других отраслях промышленности. 13369 1 2010.06.30 Известно широкое использование при резании как металлов, так и неметаллических материалов, например, при деревообработке, лезвийного инструмента, режущая часть которого выполнена из сплавов на основе железа, в частности из инструментальных быстрорежущих сталей, легированных вольфрамом и молибденом, содержащих до 2 ванадия(Р 18, Р 12, Р 9, Р 6 М 5, Р 6 М 3 и др.), а также сталей, легированных вольфрамом и кобальтом,содержащих свыше 2 ванадия (Р 18 Ф 2, Р 14 Ф 5, Р 9 Ф 5, Р 10 Ф 5 К 5, Р 9 К 5, Р 9 К 10 и др.) 1,2. Первую группу относят к сталям нормальной производительности, а вторую - к сталям повышенной производительности. Высокие эксплуатационные свойства быстрорежущих сталей обеспечиваются благодаря их легированию вольфрамом, ванадием и молибденом,которые, соединяясь с углеродом, образуют соответствующие карбиды. Износостойкость быстрорежущих сталей в 3-5 раз выше, чем у углеродистых и низколегированных. Основным недостатком инструмента, выполненного из этих сталей, является относительно низкая устойчивость к абразивно-адгезионному износу при высоких температурах. В то же время известно, что температура, реализуемая в зоне резания, может превышать 1000 С, в то время как теплостойкость первой группы сталей составляет 620 С, а сталей,легированных кобальтом, - 640 С 3, 4. Известны способы упрочнения лезвийных инструментов путем нанесения на них износостойких покрытий на основе нитридов, карбидов, оксидов, карбонитридов, оксикарбидов,оксинитридов, оксикарбонитридов тугоплавких металлов, формируемых различными методами, например газофазным способом либо так называемым способом КИБ (конденсация с ионной бомбардировкой - осаждение продуктов электрической эрозии материала в среде реакционноспособного газа пониженного давления), обеспечивающие более высокую стойкость режущей части по сравнению с инструментом из быстрорежущей стали без покрытия 4-6. Наиболее близким по технической сущности является способ упрочнения режущего инструмента из сплавов на основе железа, кобальта и никеля, предусматривающий нанесение химико-термическим методом покрытия, содержащего титан и инертный тугоплавкий материал на основе соединений титана, например оксида или карбонитрида титана 7. Основным недостатком данного способа упрочнения инструмента является недостаточная стойкость его, обусловленная отслаиванием и шелушением покрытия в процессе работы из-за перегрева. Это вызвано образованием резкого температурного скачка на границе между режущей частью и покрытием (материалов с резко отличающимися теплофизическими свойствами) вследствие отсутствия переходного слоя, обеспечивающего между ними хорошие адгезионный и тепловой контакты. Задачей заявляемого изобретения является повышение износостойкости лезвийного инструмента, режущая часть которого выполнена из сплавов на основе железа, путем формирования теплоизносостойкого переходного слоя между инструментальным материалом и покрытием. Поставленная задача решается тем, что в способе упрочнения лезвийного инструмента, включающем нанесение на режущую часть инструмента, выполненную из сплава на основе железа, износостойкого покрытия, содержащего титан и инертный тугоплавкий материал на основе соединения титана, в частности оксида и/или оксикарбонитрида титана, перед нанесением износостойкого покрытия осуществляют кипячение инструмента в течение 25-35 мин в водном растворе, содержащем 50-150 г/л молибденового ангидрида,после чего промывают, сушат и активируют в вакууме поверхность инструмента воздействием на режущую часть ионами титана с энергией 0,5-3,0 кэВ в течение 0,5-5 мин при плавном понижении энергии ионов до 0-150 эВ и постепенном повышении давления рабочего газа с последующим формированием слоя, содержащего соединения титана а также тем, что активацию поверхности осуществляют сепарированным потоком ионов титана, сформированным в условиях электродугового вакуумного разряда 13369 1 2010.06.30 а также тем, что слой из соединений титана выполняют содержащим 5-30 атомарного титана а также тем, что слой, содержащий соединения титана, выполняют толщиной 1-10 мкм а также тем, что нанесение износостойкого покрытия осуществляют способом конденсации с ионной бомбардировкой при постепенном повышении давления рабочего газа, содержащего кислород и/или азот, и/или углеводород, до 0,133 Па. Заявляемые пределы времени обработки инструмента в водном растворе молибденового ангидрида и концентрации последнего определяются показателями технико-экономической эффективности данной операции. Так, увеличение времени кипячения инструмента более 35 мин в растворе с концентрацией молибденового ангидрида, превышающей 150 г/л не сопровождается интенсификацией образования интерметаллида . В то же время проведение операции кипячения инструмента при значениях временных и концентрационных параметров ниже заявляемых вызывает неполное выделение из раствора молибдена и соответствующее незавершение процесса образования интерметаллида. Активацию поверхности инструмента целесообразно выполнять сепарированным потоком ионов титана,сформированным в условиях электродугового вакуумного разряда, что исключает осаждение капельно-блочной фракции продуктов электрической эрозии на поверхности инструмента и позволяет варьировать энергетические характеристики ионного потока в широких пределах, исключая распыление слоя, образовавшегося после кипячения в водном растворе молибденового ангидрида. Постепенным понижением энергии ионов до 0-150 эВ и повышением давления рабочего газа обеспечивают формирование слоя из соединений титана толщиной 1-10 мкм с плавным изменением содержания атомарного титана по толщине покрытия до 5-30 . Работоспособность заявляемого способа иллюстрируется следующим примером. Сверла различного диаметра (от 1 до 16 мм), выполненные из быстрорежущей стали Р 6 М 5 и Р 9 К 5, обезжиренные в мыльном растворе и промытые в деионизованной воде, кипятили в течение 30 мин в водном растворе, содержащем 100 г/л молибденового ангидрида,вследствие чего на их поверхности образовался устойчивый к истиранию слой темносинего (почти черного) цвета, содержащий интерметаллиды типа . После этого сверла промывали, сушили в потоке горячего воздуха и размещали в установке УРМ 3.279.048,модифицированной путем встраивания системы сепарации плазмы. Активацию поверхности инструмента для нанесения износостойкого покрытия, содержащего титан и инертный тугоплавкий материал, включающий соединения титана, осуществляли ионной бомбардировкой при отрицательном потенциале смещения 1,5 кВ ионами материала катода (титан ВТ 1-00) в вакууме (0,001 Па) в течение 1 мин с последующим плавным снижением потенциала смещения до -50 В и напуске в камеру пропана-бутана до давления 0,133 Па при токе дуги 120 А. При этом давлении осаждали слой карбида титана толщиной 6 мкм с содержанием атомарного титана до 10 . Как показали результаты рентгеноструктурных и электронно-микроскопических исследований, обработка инструмента высокоэнергетичными ионами титана не только активирует его поверхность для последующего формирования износоустойчивого покрытия, но и приводит к внедрению некоторой части атомарного титана в интерметаллидный слой. Этот результат в сочетании с плавным снижением энергии ионов титана при напуске в камеру рабочего газа способствует сглаживанию границы в теплофизических характеристиках между режущей частью инструмента и покрытием из инертного тугоплавкого материала, включающего соединения титана. Кроме того, как показали результаты стойкостных испытаний, в процессе эксплуатации инструмента вследствие развития высоких температур в зоне резания имеет место диффундирование титана по направлению покрытие - переходной слой - инструментальная основа, что также способствует улучшению теплового и адгезионного контакта между ними. Таким образом, предлагаемый способ упрочнения лезвийного инструмента, режущая часть которого выполнена из сплавов на основе железа, предусматривающий нанесение 3 13369 1 2010.06.30 одним из наиболее простых и экономичных способов плазменно-вакуумного электродугового напыления износостойкого покрытия, содержащего титан и инертный тугоплавкий материал, включающий соединения титана, позволяет существенно увеличить срок его эксплуатации. Источники информации 1. Гуляев А.П., Малинина К.А., Саверина С.М. Инструментальные стали Справочник. М., 1961. 2. Геллер Ю.А. Инструментальные стали, 3 изд. - М., 1968. 3. Резников А.Н. Теплофизика резания. - М. Машиностроение, 1969. - С. 288. 4. Васин С.А., Верещака А.С, Кушнер Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. Резание материалов - М. Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001. - С. 448. 5. Джеломанова Л.Г. Прогрессивные методы нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент. Инструментальная и абразивная промышленность. - М. НИИмаш,1979. 6. Витязь П.А., Дубровская Г.Н., Кирилюк Л.М. Газофазное осаждение покрытий из нитрида титана. - Минск Наука и техника, 1983. 7. Патент Англии 1314528, 1973 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4