Режущий инструмент

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(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) Режущий инструмент, содержащий режущую часть из твердосплавного материала с нанесенным на него многослойным упрочняющим покрытием, отличающийся тем, что последний слой толщиной 0,1-0,5 мкм в составе покрытия выполнен планаризирующим. Заявляемая полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для изготовления и упрочнения режущего инструмента. Срок службы режущего инструмента определяется в основном износостойкостью его режущей части. Режущую часть обычно выполняют 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 из сталей,61422010.04.30 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 углеродистых и низколегированных. Основным недостатком инструмента, выполненного из этих сталей, является относительно низкая устойчивость к абразивному износу. Это связано, с одной стороны, с малым различием в твердости между материалом инструмента и обрабатываемым материалом, а с другой - с попаданием инородных частиц, например песка, в зону взаимодействия резца и материала в процессе резания. Высокая твердость частиц загрязнений приводит к быстрому абразивному износу режущей части инструмента. Наиболее эффективным методом борьбы с абразивным износом инструмента является нанесение упрочняющих покрытий, характеризующихся высокой твердостью 3. 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. Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели, ее прототипом, является режущий инструмент, содержащий режущую часть из твердосплавного материала с нанесенным на нее упрочняющим покрытием, состоящим из подслоя на основе нитрида титана и слоя карбида титана 4. Упрочняющие покрытия заметно повышают износостойкость инструмента, однако, не в полной мере. Устойчивость к абразивному износу, кроме твердости покрытия, сильно зависит от шероховатости поверхности. Относительно низкая устойчивость к абразивному износу в данном случае обусловлена морфологией получаемой поверхности. Это связано с технологией формирования упрочняющих покрытий, в частности, с конформностью получаемых 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. Конформный характер упрочняющего покрытия не позволяет сгладить шероховатость поверхности инструмента. В процессе эксплуатации инструмента с упрочняющим покрытием неровности покрытия выступают в роли абразивного слоя, увеличивающего трение между инструментом и обрабатываемым материалом. В результате скорость обработки материала снижается, а износ инструмента возрастает. Задачей заявляемой полезной модели является повышение износостойкости режущего инструмента за счет уменьшения абразивного взаимодействия режущей части с обрабатываемым материалом. Поставленная задача решается тем, что в режущем инструменте, содержащем режущую часть из твердосплавного материала с нанесенным на него многослойным упрочняющим покрытием, последний слой толщиной 0,1-0,5 мкм в составе покрытия выполняют планаризирующим. Сущность заявляемого технического решения заключается в снижении шероховатости поверхности упрочняющего покрытия. Это приводит к снижению сил трения между поверхностью инструмента и обрабатываемым материалом, чем и обеспечивается повышение стойкости к абразивному износу. 2 61422010.04.30 В качестве планаризирующих покрытий для упрочнения инструмента 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 инструмента в раствор кремнийорганического соединения, например тетраэтоксисилана, с последующей сушкой и термообработкой. 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 инструмента и обладает высокой твердостью. Высокие твердость и хрупкость такого планаризирующего слоя способствуют самозаточке инструмента в процессе его эксплуатации. На его поверхность не налипают загрязнения, что также способствует повышению устойчивости инструмента к абразивному износу. Толщина планаризирующего слоя покрытия зависит от вида и конструктивных особенностей упрочняемого инструмента. 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 инструментом 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 инструмента 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 фиг. 1, где приведено схематическое изображение разреза формируемого покрытия. На лезвие инструмента 1 с поверхностью заточки 2 нанесено упрочняющее покрытие, состоящее из упрочняющего слоя 3 и планаризирующего слоя 4. Упрочняющий слой 3 в точности повторяет микрорельеф поверхности инструмента. Планаризирующий слой 4 сглаживает все неровности. В процессе эксплуатации инструмент контактирует с обрабатываемым материалом по поверхности упрочняющего покрытия. 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 инструмента и обрабатываемым материалом за счет уменьшения шероховатости. Износ инструмента при этом снижается. Абразивный износ инструмента по поверхности 2 приводит к его самозаточке. Заявляемую полезную модель испытывали при упрочнении токарных резцов с рабочей частью в виде твердосплавной режущей пластины. Упрочняющее покрытие формировали следующим образом. Резцы обезжиривали в растворе поверхностно-активного 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 поверх 3 61422010.04.30 ность 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 А и потенциале смещения - 50 В. После охлаждения резцов их 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 3060 мин. Толщину планаризирующего покрытия регулировали изменением режимов его формирования. Контроль толщины планаризирующего слоя проводили на тестовом полированном образце. Полученные резцы испытывали на износостойкость при точении шайб из стали марки Ст 3. В качестве прототипа использовали резцы с износостойким покрытием, не прошедшие стадию формирования планаризирующего слоя. В качестве параметра стойкости принимали время непрерывной работы резца до его заточки. Необходимость заточки определяли по достижении ширины следа износа на лезвии резца свыше допустимого предела. Результаты испытаний приведены в таблице. Из приведенных данных видно, что использование планаризирующего покрытия позволяет значительно снизить шероховатость поверхности инструмента и повысить его износостойкость. При этом значительное снижение шероховатости достигается при толщине планаризирующего покрытия заметно меньшей, чем размер неровностей поверхности. Это объясняется растеканием раствора по поверхности инструмента при формировании слоя и преимущественном заполнении ее впадин. Толщина планаризирующего слоя в области впадин поверхности оказывается высокой, а в области выступов - минимальной, за счет чего и достигается эффект планаризации и резкое снижение шероховатости. Класс шероховатости поверхности при этом изменяется от 9 (0,25 мкм) до 12 (0,025 мкм и менее) 5. Сравнительные результаты испытаний износостойкости резцов Толщина плана- Шерохова- Стойкость Стойкость Стойкость ризирующего тость порезца до резца до вто- резца до Примечание слоя, мкм верхности,первой за- рой заточки, третьей за, 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 Избыточная толщина не дает 0,8 Менее 0,020 65 60 55 дополнительных преимуществ Прототип (без планаризирую- 0,100-0,250 45 40 35 щего слоя) Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет повысить износостойкость режущего инструмента за счет уменьшения абразивного взаимодействия режущей части с обрабатываемым материалом. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4