Режущий инструмент

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Латушкина Светлана Дмитриевна Куис Дмитрий Валерьевич Рудак Павел Викторович Емельянов Антон Викторович Емельянов Виктор Андреевич 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 последовательно нанесенными на него адгезионной пленкой на основе титана и упрочняющей пленкой на основе соединений тугоплавких металлов, отличающийся тем, что дополнительно содержит модифицирующую пленку на основе твердого раствора хрома,или циркония, или молибдена в титане толщиной 0,02-0,50 мкм при концентрации примеси 0,5-3,0 , расположенную между адгезионной и упрочняющей пленками.(56) 1. Гуляев А.П., Малинина К.А., Саверина С.М. Инструментальные стали Справочник. - М., 1961. 2. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. 3-е изд. - М., 1968. 3. Вершина А.К., Агеев В.А. Ионно-плазменные защитно-декоративные покрытия. Гомель ИММС НАНБ, 2001. - 172 с. 4. Патент РБ 10171, 2007 (прототип). 5. Резников А.Н. Теплофизика резания. - М. Машиностроение, 1969. - С. 288. 6. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер А.С. Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. Резание материалов. - М. Изд-во МГТУ им. Баумана, 2011. С. 448. 92702013.06.30 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,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. Однако, как правило, такие покрытия характеризуются невысокой адгезией к основанию и в процессе эксплуатации отделяются от него. Решение данной проблемы заключается в использовании промежуточных адгезионных слоев. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому, его прототипом, является режущий инструмент, содержащий режущую часть из твердосплавного материала с нанесенным на нее упрочняющим покрытием, состоящим из комбинированного подслоя титана с его нитридом, или оксинитридом, или карбоксинитридом и слоя нитрида, или карбида, или оксида, или карбонитрида, или оксикарбида, или оксинитрида, или карбоксинитрида тугоплавкого металла 4. По сути, первый слой на основе титана служит для обеспечения требуемой адгезии второго слоя, который является упрочняющим, поскольку перечисленные соединения характеризуются невысокой адгезией к металлическим основаниям и отшелушиваются в процессе эксплуатации инструмента. Пленки на основе титана обладают превосходной адгезией к металлам и их сплавам, но характеризуются относительно низкой износостойкостью. Поэтому принципы, положенные в основу рассматриваемой конструкции режущего инструмента, - адгезионный слой на основе титана плюс упрочняющий слой являются типовыми в технике упрочнения. Недостатком прототипа является относительно невысокая коррозионная стойкость при абразивном износе, обусловленная структурой входящих в него слоев. Конденсированные пленки титана характеризуются выраженной столбчатой структурой зерен. С увеличением толщины слоя размер зерен увеличивается как по его толщине (иначе, в длину с образованием столбиков), так и в плане. Это происходит за счет кристаллизации пленки путем подавления роста мелких зерен и преимущественного роста наиболее крупных. Поскольку конденсация слоев покрытия проводится при относительно высокой температуре,после охлаждения покрытия до комнатной температуры на границах зерен концентрируются механические напряжения. Причем, чем больше размер зерна, тем выше напряжения на его границах. Это заметно ухудшает прочность сцепления зерен друг с другом за счет 2 92702013.06.30 уменьшения энергии химической связи между атомами различных зерен, приводит к образованию сквозных пор в упрочняющем покрытии, а также повышает химическую активность межзеренных границ. Образование пор способствует возникновению очагов коррозии и ее быстрому распространению. Понижение энергии химической связи между зернами в покрытии приводит к снижению его прочности и, следовательно, к снижению износостойкости. Высокая химическая активность межзеренных границ способствует их быстрому окислению при воздействии агрессивных факторов, т.е. коррозии, и возникновению все новых пор. Упрочняющий слой наследует крупнозернистую структуру адгезионного слоя, т.е. форма и размер его зерен являются продолжением формы и размера зерен адгезионного слоя, поэтому наличие даже большого количества слоев и значительное увеличение их толщины не может устранить рассмотренные недостатки, в целом обуславливающие относительно низкую коррозионную и износостойкость прототипа. Негативное влияние рассмотренных факторов несколько снижается добавлением в состав адгезионного слоя нитросоединений титана. Однако титан и его нитрид образуют непрерывный ряд нестехиометрических соединений с общей формулой , гдеможет принимать значения от 0 до 1. Кристаллическая структура слоев этих соединений также остается довольно крупнозернистой, что не позволяет достичь минимальных значений их пористости. Кроме того, в процессе эксплуатации инструмент подвергается значительным термоциклическим нагрузкам. Известно, что температура в зоне резания может достигать 1000 С и более 5, 6. Это приводит к постоянной рекристаллизации структуры с укрупнением размера зерна и существенным снижением коррозионной стойкости, обусловленной быстрым сопутствующим образованием пор в покрытии. В результате срок службы инструмента сокращается. Задачей заявляемой полезной модели является повышение срока службы инструмента. Поставленная задача решается тем, что режущий инструмент, содержащий режущую часть из твердосплавного материала с последовательно нанесенными на него адгезионной пленкой на основе титана и упрочняющей пленкой на основе соединений тугоплавких металлов, дополнительно содержит модифицирующую пленку на основе твердого раствора хрома, или циркония, или молибдена в титане толщиной 0,02-0,50 мкм при концентрации примеси 0,5-3,0 , расположенную между адгезионной и упрочняющей пленками. Сущность заявляемого технического решения заключается в измельчении структуры упрочняющей пленки. Хром, цирконий и молибден обладают электрохимическими свойствами, близкими к свойствам титана, а их атомные радиусы отличаются от радиуса атомов титана не более чем на 12 , что обеспечивает образование твердых растворов замещения в широком интервале концентраций. Присутствие инородных атомов в процессе кристаллизации пленки титана препятствует образованию крупных зерен. Структура вместо столбчатой становится мелкозернистой, что сопровождается дополнительным повышением прочности. Кроме того, рассматриваемые твердые растворы характеризуются более высокой твердостью по сравнению с чистым титаном, что благотворно сказывается на износостойкости покрытия в целом. Наличие модифицирующей легированной пленки на основе титана с измельченной структурой обеспечивает формирование мелкозернистой упрочняющей пленки из соединений тугоплавких металлов, обусловленное упомянутыми факторами наследственности структуры конденсированной пленки. Наличие в модифицирующей пленке других соединений, например нитрида титана, не ухудшает ее свойства, т.к. формирование ее кристаллической структуры и в этом случае осуществляется на тех же принципах. Влияние легирования титана на механические напряжения в получаемых пленках проявляется в двух аспектах. С одной стороны, появление в структуре кристаллической решетки инородных атомов способствует росту напряжений, обусловленных изменением длины химических связей. С другой - уменьшение размеров зерен сопровождается 3 92702013.06.30 уменьшением напряжений на его границах, что приводит к уменьшению напряжений в целом по структуре всей пленки. Экспериментально установлено, что снижение напряжений, обусловленное измельчением структуры, значительно превышает повышение напряжений, обусловленное изменением длины химической связи. Это приводит к повышению прочности химической связи между отдельными зернами и значительному снижению пористости пленок, обеспечивает повышение их прочности и увеличение коррозионной стойкости, что, в свою очередь, обеспечивает повышение срока службы инструмента. Заявляемый интервал концентрации легирующих примесей обеспечивает требуемые стабильность структуры и механические свойства пленки легированного титана. Концентрация примеси менее 0,5 , например 0,2 , не позволяет измельчить структуру слоя до уровня, обеспечивающего заметное изменение коррозионной и износостойкости. Вследствие диффузии легирующей примеси под воздействием высокой температуры этот слой размывается по толщине всего покрытия и перестает работать. Использование концентрации более 3,0 , например 5,0 , нецелесообразно в связи с тем, что при этом заметно снижается устойчивость инструмента к термоциклическим нагрузкам в процессе эксплуатации. Толщина модифицирующей пленки обусловлена следующими факторами. При толщинах менее 20 нм, например 10 нм, легирующие элементы ввиду небольшой концентрации и малой толщины пленки не в состоянии обеспечить необходимую ее сплошность. Эта пленка практически растворяется в процессе изготовления инструмента в соседних пленках вследствие диффузии легирующей примеси. Использование толщины более 500 нм,например 800 нм, также нецелесообразно, т.к. затраты на изготовление инструмента возрастают, а дополнительные преимущества не появляются. Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1, на которой схематически изображен инструмент-прототип, и фиг. 2, на котором схематически изображен заявляемый инструмент. На фигурах приняты следующие обозначения 1 - режущая часть, 2 адгезионная пленка на основе титана со столбчатой структурой, 3 - упрочняющая пленка соединения тугоплавкого металла, наследующая структуру нижележащего слоя, 4 - модифицирующая пленка на основе легированного титана с измельченной структурой. Как видно из приведенных фигур, заявляемый инструмент состоит из режущей части,на которую последовательно нанесены адгезионная, модифицирующая и упрочняющая пленки. Мелкозернистая структура модифицирующей пленки обеспечивает измельчение структуры упрочняющей пленки, чем и достигается повышение износостойкости инструмента. Заявляемый инструмент работает следующим образом. Введение дополнительной модифицирующей пленки на основе легированного титана обеспечивает измельчение структуры (модификацию) упрочняющего слоя. Это снижает пористость, а также химическую активность межзеренных границ упрочняющей пленки, например нитрида или карбида титана. Снижение количества пор обеспечивает соответствующее уменьшение количества очагов коррозии инструмента. Снижение химической активности межзеренных границ при эксплуатации инструмента в условиях комбинированного воздействия агрессивной среды и механических частиц (коррозионно-абразивный износ) обеспечивает значительно большую энергию активации для вступления материала пленки в химическую реакцию с агрессивной средой, что проявляется в уменьшении скорости появления новых пор и значительном возрастании коррозионной стойкости. Аналогично и с воздействием абразивных частиц увеличение силы химической связи между отдельными зернами пленки требует увеличения силы их отрыва. Таким образом, износостойкость инструмента и, следовательно, срок его службы возрастают. Испытание заявляемого инструмента проводили следующим образом. Пленки осаждали на установке УРМ 3.279.048, модифицированной встроенной системой сепарации плазмы при двухкатодном распылении на пластины, изготовленные из стали 12 Х 18 Н 10 Т,а также на твердосплавные пластины для деревообрабатывающих фрез. Ионную очистку 4 92702013.06.30 осуществляли при потенциале смещения -1,5 кВ ионами титанового катода, после этого осаждали адгезионную пленку на основе титана и нитрида титана толщиной 1,50,1 мкм. Для получения модифицирующей пленки осуществляли ионную бомбардировку адгезионной пленки ионами хрома, или циркония, или молибдена до достижения требуемой их концентрации. Энергию имплантации выбирали из условия получения необходимой толщины модифицирующей пленки с учетом последующей разгонки примеси. Толщины полученных пленок и концентрация имплантированной примеси приведены в таблице. Затем осаждали пленку нитрида титана толщиной 2,50,1 мкм при парциальном давлении азота 0,510-2 Па. Суммарная толщина всех пленок, определенная на микроинтерферометре МИИ-4, во всех случаях составляла 4,00,1 мкм. Коррозионную стойкость полученного инструмента определяли на пластинах из стали по величине стационарного потенциала коррозии на основании поляризационных измерений в 3 -ном растворес помощью потенциостата П-5848. Измерения микротвердости проводили нанотвердомеромпри нагрузке 25 г. Срок службы режущих пластин оценивали по длине пути резца в обрабатываемом материале (ламинированная ДСП) на деревообрабатывающем центре с ЧПУ 4.35 фирмы . Испытания проводились при следующих режимах частота вращения концевой фрезы - 14000 мин-1, скорость подачи - 6,6 м/мин, снимаемый припуск 21 мм, подача на резец - 0,47 мм. За критерий износа принимались возникающие дефекты обработки (сколы и др.). По окончании испытаний проводили металлографические исследования размера зерна покрытий методом электронной микроскопии при увеличении 10000. Результаты испытаний приведены в таблице. Из приведенных данных видно, что заявляемый инструмент, по сравнению с прототипом, характеризуется более длительным сроком службы, что обеспечивается большими твердостью и коррозионной стойкостью. Также видно, что заявляемый инструмент характеризуется более мелким размером зерна упрочняющей пленки, что достигается наличием модифицирующей пленки. Режущие пластины, сформированные с запредельными значениями заявляемых параметров, не позволяют в полной мере решить поставленную задачу (примеры 1, 6) либо характеризуются необоснованными увеличениями материальных затрат (примеры 5, 9). Таким образом, заявляемый режущий инструмент характеризуется большим сроком службы, что обеспечивается модификацией кристаллической структуры его упрочняющей пленки. Физико-механические характеристики инструмента КонцентраСтационарТолщина Вид имМикроРазмер зеция имный потенДлина модифиплантиротверрен упрочплантироциал пути резцирующей ванной дость,няющей ванной коррозии,ца, м пленки, нм примеси ГПа пленки, нм примеси,Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6