Способ формирования упрочняющего покрытия на режущем инструменте

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ УПРОЧНЯЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ НА РЕЖУЩЕМ ИНСТРУМЕНТЕ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Сенько Сергей Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Способ формирования упрочняющего покрытия на режущем инструменте, заключающийся в том, что на инструменте последовательно формируют слой нитрида титана,слой карбида титана и планаризирующий слой толщиной 0,1-0,5 мкм, представляющий собой стекловидную пленку диоксида кремния. Заявляемое изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для упрочнения режущего инструмента. Наиболее эффективным методом борьбы с абразивным износом инструмента является нанесение упрочняющих покрытий, характеризующихся высокой твердостью. Для этих целей используют покрытия на основе соединений тугоплавких металлов, формируемых различными методами. Толщина покрытия определяется видом и назначением инструмента и может составлять от долей микрон до величин порядка мм. Первоначально наибольшую популярность приобрели покрытия из нитрида титана 1. Известный способ формирования такого покрытия включает испарение титана в плазме азота и последующую конденсацию образующегося нитрида титана на основание 2. Недостатком такого покрытия является его столбчатая структура, обусловленная ростом зерен в направлении по нормали к поверхности. Поэтому поверхность покрытия явля 15987 1 2012.06.30 ется в значительной мере шероховатой. Шероховатая поверхность покрытия способствует увеличению сил трения между покрытием и обрабатываемым материалом, что интенсифицирует абразивный износ покрытия в процессе его эксплуатации. Кроме того, относительно высокая скорость абразивного износа пленки нитрида титана связана с его высокой пластичностью и небольшим различием в твердости междуи обрабатываемыми материалами. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому, его прототипом, является способ нанесения упрочняющего покрытия, включающий ионную бомбардировку ионами титана предшествующего слоя и последовательное формирование подслоя нитрида титана и слоя карбида титана 3. Карбид титана характеризуется более высокой твердостью по сравнению с нитридом. Слой нитрида титана в таком многослойном покрытии играет роль демпфера. Прототип более устойчив к абразивному износу, однако не в полной мере. Устойчивость к абразивному износу, кроме твердости покрытия, сильно зависит от шероховатости поверхности. Микронеровности поверхности упрочняющего слоя можно рассматривать как дополнительный абразивный слой, взаимодействующий с обрабатываемым материалом в процессе эксплуатации покрытия и повышающий силу трения. В результате абразивного взаимодействия выступов покрытия с обрабатываемым материалом выступы выкрашиваются. По мере увеличения количества выкрошившихся зерен покрытия его шероховатость возрастает, что приводит к увеличению сил трения и повышению интенсивности абразивного износа покрытия. Технология получения упрочняющих покрытий на сегодняшний день обеспечивает получение однородных по толщине, но конформных пленок. Микрорельеф покрытия в точности повторяет микрорельеф поверхности основы. Поскольку поверхность инструмента является шероховатой, поверхность упрочняющего слоя также получается шероховатой. Кроме того, упрочняющие слои характеризуются наличием собственной структуры, которая также способствует повышению общей шероховатости,например, при кристаллизации материала покрытия. Чем больше количество выступов поверхности и выше размер неровностей, тем больше силы трения между инструментом и обрабатываемым материалом и тем выше скорость абразивного износа. Уменьшение трения за счет уменьшения размера неровностей путем полировки поверхности инструмента не оправдывается из-за высокой трудоемкости и стоимости полировки. В результате скорость обработки материала снижается, а износ инструмента возрастает. Задачей заявляемого изобретения является повышение износостойкости упрочняющего покрытия за счет уменьшения его абразивного взаимодействия с контактирующими материалами. Поставленная задача решается тем, что способ формирования упрочняющего покрытия на режущем инструменте заключается в том, что на инструменте последовательно формируют слой нитрида титана, слой карбида титана и планаризирующий слой толщиной 0,1-0,5 мкм, представляющий собой стекловидную пленку диоксида кремния. Сущность заявляемого технического решения заключается в снижении шероховатости поверхности упрочняющего покрытия. Это приводит к снижению сил трения между поверхностью упрочняющего покрытия и обрабатываемым материалом, чем и обеспечивается повышение его стойкости к абразивному износу. В качестве планаризирующих слоев упрочняющих покрытий могут выступать пленки на основе диоксида кремния, получаемые из растворных композиций. Составы таких композиций известны и используются в различных областях техники, например в микроэлектронике, для получения тонких пленок и сглаживания топологического рельефа интегральных схем. Могут быть также использованы пленки на основе диоксида титана,циркония и т.п. Планаризирующие покрытия на основе диоксида кремния получают путем окунания изделий в раствор кремнийорганического соединения, например тетраэтоксисилана, центрифугированием или иным способом. Раствор растекается по поверхности 2 15987 1 2012.06.30 предшествующего слоя и заполняет все впадины неровностей, за счет чего и достигается планаризация поверхности. Далее проводят сушку и термообработку пленки. Кремнийорганическое соединение при этом гидролизуется с образованием стекловидной пленки диоксида кремния, обладающей хорошей адгезией к различным упрочняющим покрытиям. Полученная таким образом пленка на основе диоксида кремния сглаживает шероховатость и другие неровности (например, царапины) поверхности покрытия и обладает высокой твердостью. На нее не налипают загрязнения, что также способствует повышению устойчивости покрытия к абразивному износу. Толщина планаризирующего слоя зависит от размеров неровностей предшествующего слоя. Так как спектр размеров неровностей любой поверхности чрезвычайно широк, положительный эффект достигается уже при самом минимальном значении толщины планаризирующего слоя, например, 0,1 мкм. Даже в этом случае заметная часть (размером менее 0,1 мкм) неровностей поверхности сглаживается, чем обеспечивается снижение силы трения между покрытием и обрабатываемым материалом. Меньшая толщина планаризирующего слоя, например 0,05 мкм, также позволяет получить положительный эффект, однако в этом случае методы формирования таких пленок не гарантируют получение сплошных слоев. Максимальная толщина планаризирующего слоя может составлять величину примерно равную размерам неровностей поверхности, фактические значения которых, как правило, не превышают 0,5 мкм. Дальнейшее ее увеличение нецелесообразно в связи с тем, что стоимость покрытия возрастает,а дополнительные преимущества не появляются. Планаризирующие слои могут быть нанесены на любые упрочняющие покрытия, полученные различными методами. Кремнийорганические соединения и их растворы хорошо смачивают различные поверхности, получаемые пленки на основе диоксида кремния обладают высокой адгезией. То же самое относится к покрытиям и на других основах. В каждом конкретном случае формирования планаризирующего слоя упрочняющего покрытия руководствуются имеющимися в распоряжении реактивами и оборудованием. Сущность заявляемого технического решения поясняется фигурой, где приведено схематическое изображение разреза формируемого покрытия. На основание 1 нанесено упрочняющее покрытие, состоящее из упрочняющего слоя 2 и планаризирующего слоя 3. Упрочняющий слой 2 в точности повторяет микрорельеф поверхности основания. Планаризирующий слой 3 сглаживает все неровности. В процессе эксплуатации покрытие контактирует с обрабатываемым материалом. В случае отсутствия планаризирующего слоя взаимодействие происходит с шероховатой поверхностью упрочняющего слоя. Силы трения, ответственные за абразивный износ, при этом велики. Наличие планаризирующего слоя заметно снижает силу трения между поверхностью и обрабатываемым материалом за счет уменьшения шероховатости. Износ покрытия при этом снижается. Заявляемый способ формирования покрытий испытывали при упрочнении токарных резцов с рабочей частью в виде твердосплавной режущей пластины. Упрочняющее покрытие формировали следующим образом. Резцы обезжиривали в растворе поверхностноактивного вещества, промывали дистиллированной водой и помещали в установку УРМ 3.279.048. Поверхность рабочей части готовили к нанесению покрытия путем бомбардировки ионами титана при потенциале смещения 1,5 кВ и давлении в камере 10-3 Па. Затем на поверхность резцов наносили подслой на основе нитрида титана толщиной 2 мкм при давлении азота 0,1 Па, а затем упрочняющий слой карбида титана толщиной 4 мкм при давлении пропан-бутановой смеси 0,13 Па. Упрочняющий слой наносили при токе дуги 120 и потенциале смещения 50 . После охлаждения резцы извлекали из камеры установки и окунали в горячий раствор состава 54 мл этилсиликата, 37 мл этилового спирта, 8 мл воды, 0,5 мл соляной кислоты и 1 мл бензина. Излишки раствора удаляли центрифугированием. Затем проводили термообработку на воздухе при температуре 350 С в течение 30-60 мин. Толщину планаризирующего слоя регулировали изменением 3 15987 1 2012.06.30 режимов его формирования. Контроль толщины планаризирующего слоя проводили на тестовом полированном образце. Шероховатостьслоев определяли в соответствии с 4. Полученное покрытие испытывали на износостойкость при точении шайб из стали марки Ст 3. В качестве прототипа использовали покрытие, не прошедшее стадию формирования планаризирующего слоя. В качестве параметра стойкости принимали время непрерывной работы резца до его заточки. Результаты испытаний приведены в таблице. Из приведенных данных видно, что использование планаризирующего слоя позволяет значительно снизить шероховатость поверхности покрытия и повысить его износостойкость. Класс шероховатости поверхности при этом изменяется от 9 (0,25 мкм) до 12 (0,025 мкм и менее). Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет повысить износостойкость упрочняющего покрытия за счет уменьшения его абразивного взаимодействия с обрабатываемым материалом. Сравнительные результаты испытаний износостойкости покрытий Стойкость Стойкость Стойкость Толщина плана- Шероховатость резца до резца до вто- резца до ризирующего поверхности, ,Примечание первой за- рой заточки, третьей заслоя, мкм мкм точки, мин мин точки, мин Не сплошная 0,05 0,080 50 40 35 пленка 0,1 0,025 65 60 55 0,3 Менее 0,020 65 60 55 0,5 Менее 0,020 65 60 55 0,8 Менее 0,020 65 60 55 Прототип (без планаризирую 0,100-0,250 45 40 35 щего слоя) Источники информации 1. Витязь П.А., Дубровская Г.Н., Кирилюк Л.М. Газофазное осаждение покрытий из нитрида титана. - Минск Наука и техника, 1983. 2. Вершина А.К., Агеев В.А. Ионно-плазменные защитно-декоративные покрытия. Гомель ИММС НАНБ, 2001. - 172 с. 3. Патент РБ 10171, 2007 (прототип). 4. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения. - М. Издательство стандартов, 1975. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4