Мелкоразмерный инструмент для обработки высокоточных металлических изделий

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МЕЛКОРАЗМЕРНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОТОЧНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ(71) Заявители Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины Научно-производственное объединение Интеграл(72) Авторы Рогачев Александр Владимирович Емельянов Виктор Андреевич Саян Николай Иосифович Попов Александр Николаевич Федосенко Николай Николаевич(73) Патентообладатели Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины Научно-производственное объединение Интеграл(57) 1. Мелкоразмерный инструмент для обработки высокоточных металлических изделий,содержащий корпус, выполненный из легированной хромсодержащей стали, на рабочей поверхности которого сформировано композиционное покрытие из титансодержащих и углеродсодержащих алмазоподобных слоев, отличающийся тем, что в качестве материала титансодержащего слоя используют карбид титана, а в качестве материала углеродсодержащего алмазоподобного слоя - алмазоподобный углерод, легированный металлами. 2. Мелкоразмерный инструмент по п. 1, отличающийся тем, что содержание меди в легированном углеродсодержащем алмазоподобном слое составляет 0,8-20 мас. . 3. Мелкоразмерный инструмент по п. 1, отличающийся тем, что содержание карбида титана в легированном углеродсодержащем алмазоподобном слое составляет 1,5-15 мас. .(56) 1. Научно-технический прогресс в машиностроении Современные методы упрочнения деталей машин Обзор. информ. Вып. 9 / Под ред. К.В. Фролова. - М., 1991. - 187 с. 2. Цуань Янь, Короткевич С.В., Чижик С.А., Попов А.Н. Комплексный анализ триботехнических свойств многослойных сверхтвердых покрытий. Междунар. симпозиум О природе трения твердых тел. Белтриб. - 2002. ИММС НАНБ. - Гомель, 2002. - С. 9495. 3. Патент РФ 2254398, МПК С 23 С 14/06, В 23 В 27/14, 2005 (прототип). 35182007.04.30 Полезная модель относится к технике механической обработки изделий, в частности для холодного выдавливания (деформирования) элементов электронной техники, обеспечивающей высокую точность и производительность. К мелкоразмерному инструменту для обработки высокоточных изделий предъявляются особые требования, в числе которых высокое значение предела упругости, высокие вязкость объема и твердость поверхностных слоев, стойкость к действию высоких контактных статических и динамических нагрузок, высокая теплопроводность. Данное требование достигается тем, что рабочая поверхность инструмента содержит нанесенное композиционное покрытие 1. Известен металлообрабатывающий инструмент, рабочая поверхность которого содержит покрытие нитрида титана , которое наносят с помощью плазмохимических технологий 2. Покрытие из нитрида титана обеспечивает высокую износостойкость инструмента для холодного деформирования металлических заготовок благодаря его высокой твердости и способствует предотвращению явлений схватывания и задира. Однако при нанесении покрытия из нитрида титана на мелкоразмерный инструмент,содержащий острые кромки, эффект резко снижается. Это обусловлено использованием повышенных температур для формирования покрытия из(300-500 С), при которых наблюдается затупление обрабатывающих кромок и снижение режущей способности, а также падение твердости инструмента из-за явления отпуска. В связи с этим для обработки различного рода инструмента и деталей трения применяют многослойные композиционные покрытия из материалов, нанесение которых происходит при относительно низких температурах и обеспечивающих выполнение различных функций - снижение пластической деформации, повышение износостойкости и стойкости к действию высоких температур. Известен мелкоразмерный инструмент для обработки высокоточных металлических изделий, содержащий корпус, выполненный из легированной хромсодержащей стали, на рабочей поверхности которого сформировано композиционное покрытие из титансодержащих и углеродсодержащих алмазоподобных слоев 3. Общая толщина композиционного покрытия составляет 0,010,2 мкм. Титансодержащий слой формируют из нитрида титана. При этом концентрация углерода и титана в материале покрытия равна стехиометрическому соотношению в соединении(карбид титана). Композиционное покрытие содержит до 8 титансодержащих и углеродсодержащих слоев. Покрытие наносят на рабочую поверхность инструмента в вакуумных установках послойно. Инструмент с таким покрытием имеет достаточно высокий ресурс при невысоких скоростях резания (низких температурах в зоне резания) и отсутствии ударных нагрузок. Однако при создании в зоне обработки температуры выше 300-350 С на воздухе имеет место интенсивный окислительный износ и покрытие разрушается. При эксплуатации известного мелкоразмерного инструмента в его корпусе возникают повышенные механические напряжения, приводящие к деформации, и так как покрытие является достаточно хрупким, действие нагрузок, особенно ударных, приводит к интенсивному образованию мелких трещин и последующему отслоению частиц слоя. Следствием этого процесса является выход инструмента из строя. Кроме того, внутренний слой композиционного покрытия, выполненный из нитрида титана, имеет высокое содержание капельной фазы со средним размером частиц 10-15 мкм(при его нанесении методом КИБ) и достаточно высокую шероховатость. Это приводит к тому, что при резании в результате отделения отдельных капель протекает разрушение покрытия нитрида титана. По этой причине для получения покрытия с более высокими триботехническими свойствами необходимо осаждение достаточно толстого алмазоподобного слоя, обеспечивающего формирование более гладкой внешней поверхности. 2 35182007.04.30 Техническая задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в повышении эксплуатационных свойств инструмента за счет оптимизации конструкции функционального композиционного покрытия и состава слоев, наносимых на рабочую поверхность корпуса инструмента. Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в увеличении ресурса инструмента при эксплуатации в условиях высоких контактных нагрузок, скоростей обработки в повышении стойкости инструмента к действию динамических нагрузок в снижении механических напряжений в зоне фактического контакта за счет уменьшения шероховатости поверхности внутреннего титансодержащего слоя. Технический результат достигается тем, что в мелкоразмерном инструменте для обработки высокоточных металлических изделий, содержащем корпус, выполненный из легированной хромсодержащей стали, на рабочей поверхности которого сформировано композиционное покрытие из титансодержащих и углеродсодержащих алмазоподобных слоев, в качестве материала титансодержащего слоя используют карбид титана, а в качестве материала углеродсодержащего алмазоподобного слоя - алмазоподобный углерод,легированный металлами. Кроме того, содержание меди в легированном углеродсодержащем алмазоподобном слое составляет 0,8-20 мас. . Кроме того, содержание карбида титана в легированном углеродсодержащем алмазоподобном слое составляет 1,5-15 мас. . В отличие от прототипа мелкоразмерный инструмент для обработки высокоточных металлических изделий имеет внутренний слой из карбида титана, при формировании которого шероховатость является минимальной и определяется только состоянием исходной поверхности. При проведении обработки инструментом, содержащим такой слой, контактные напряжения при резании в меньшей степени носят локальный характер, и разрушение покрытия имеет преимущественно усталостный характер. Кроме этого, нанесение карбида титана на поверхность хромсодержащей стали обеспечивает более высокую прочность адгезионного соединения за счет образования на границе раздела фаз при осаждении слоя карбидов хрома и железа переменного состава, что в конечном счете положительно сказывается на работоспособности инструмента. Легирование углеродсодержащего алмазоподобного слоя металлами позволяет, прежде всего, повысить ресурс инструмента при эксплуатации в тяжелых условиях, когда в зоне обработки имеет место интенсивное тепловыделение. При легировании углеродсодержащего алмазоподобного слоя медью в процессе эксплуатации инструмента на рабочей поверхности образуется тонкая медная пленка, которая снижает коэффициент трения, а соответственно, и тепловыделение. При этом легированное покрытие имеет более высокую теплопроводность, что обусловливает снижение температуры в зоне обработки (контакта). Легированные медью слои являются также более пластичными и стойкими к действию ударных нагрузок. При содержании меди более 20 легированное покрытие теряет свою высокую твердость и быстро изнашивается. При концентрации меди менее 0,8 заметный эффект повышения ресурса инструмента отсутствует. При легировании углеродсодержащего алмазоподобного слоя карбидом титана (содержание 1,5-15 мас. ) формируется тонкопленочная система, представляющая собой углеродную матрицу, содержащую частицы карбида титана, характеризующаяся высокой твердостью (близкой к твердости алмазоподобного покрытия) и значительно более высокой термостойкостью (800-900 С). Как показали проведенные исследования, износостойкость покрытия, а соответственно и ресурс работы инструмента, существенно возрастают. Данный эффект проявляется при содержании карбида титана более 1,5 . Нами установлено, что при концентрации карбида титана более 15 резко возрастает коэффициент трения, что и определяет снижение работоспособности инструмента. 3 35182007.04.30 На фигуре схематически представлен корпус мелкоразмерного инструмента для обработки высокоточных изделий. Рабочая поверхность корпуса 1 содержит композиционное покрытие, выполненное из слоя 2, сформированного из карбида титана и слоя 3 из углеродного алмазоподобного материала, легированного соответственно медью или карбидом титана. Композиционное покрытие может быть выполнено многослойным из чередующихся слоев карбида титана и легированного углеродного алмазоподобного материала. Полезная модель мелкоразмерного инструмента для обработки высокоточных металлических изделий работает следующим образом. Твердый слой 3 из углеродного алмазоподобного материала воспринимает контактную нагрузку в локальных участках и передает ее корпусу более распределенной. Слой 2,выполненный из карбида титана, обеспечивает высокую прочность адгезионного соединения с внутренней поверхностью корпуса 1, выполненного из хромсодержащей стали. В результате, как показали расчеты, максимальные значения напряжений на поверхности материала корпуса в зависимости от толщины покрытия снижаются в 1,5-4 раза. Как следствие этого, уменьшается вероятность пластического деформирования материала в объеме корпуса. Результаты испытаний заявляемой полезной модели мелкоразмерного инструмента для обработки металлических высокоточных деталей, например пуансона для вырубки рамок интегральных схем, показали, что в среднем их ресурс возрастает в 4,5 раза. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4