РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С МНОГОСЛОЙНЫМ ПОКРЫТИЕМ

Полезная модель относится к области нанесения покрытий, в частности к нанесению покрытий испарением и конденсацией в вакууме, и может быть использована в инструментальном производстве для получения износостойких покрытий на режущем инструменте (РИ).
Известен режущий инструмент с трехслойным износостойким ионо-плазменным покрытием, наносимым методом ГТ ВНИИТС и состоящим из верхнего слоя нитрида титана TiN, промежуточного слоя карбонитрида титана TiCN и нижнего слоя карбида титана TiC (см. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. с.252).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного режущего инструмента с покрытием, относится то, что в известном режущем инструменте с покрытием наносимое покрытие имеет относительно низкую твердость и уровень сжимающих напряжений и недостаточную прочность сцепления с инструментальной основой. В результате этого покрытие в большей мере подвергается износу, в нем быстро зарождаются и распространяются трещины, приводящие к разрушению покрытия, что снижает стойкость РИ с покрытием.
Наиболее близким режущим инструментом с покрытием того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является режущий инструмент с многослойным покрытием, состоящим из нижнего слоя соединения титана, металла и алюминия, промежуточного слоя нитрида или карбонитрида титана и металла и верхнего слоя нитрида или карбонитрида титана, металла и
алюминия. В качестве металла используют железо, хром, молибден, цирконий или кремний (Патент на полезную модель №46006 МПК 7 С 23  С 4/32. Режущий инструмент с многослойным покрытием).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного режущего инструмента с покрытием, принятого за прототип, относится то, что в известном РИ с покрытием многослойное покрытие содержит слои, обладающие высокой теплопроводностью, что приводит к большему нагреву инструментальной основы, в результате которого активизируются процессы ползучести, ведущие к потери формоустойчивости режущего клина, его деформации и разрушению износостойкого покрытия за счет появления и быстрого развития трещин.
Технический результат - повышение стойкости режущего инструмента.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном режущем инструменте с покрытием в качестве нижнего слоя покрытия используют соединение титана, ниобия, алюминия и железа, промежуточного слоя - нитрид ниобия и внешнего слоя - нитрид или карбонитрид титана, железа и алюминия.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается также тем, что вместо железа используют хром, молибден, цирконий, кремний.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели,
определенные из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном режущем инструменте с износостойким покрытием, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию "новизна".
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели с получением вышеуказанного технического результата.
Сущность полезной модели заключается в следующем. В предлагаемом режущем инструменте 1 на его поверхность наносят многослойное покрытие, состоящее из нижнего слоя 2, содержащего соединение титана, ниобия, алюминия и железа; промежуточного слоя 3, содержащего нитрид ниобия; верхнего слоя 4, содержащего нитрид или карбонитрид титана, железа м алюминия. В предлагаемом режущем инструменте вместо железа также используют хром, молибден, цирконий, кремний.
Использование в качестве промежуточного слоя нитрида ниобия, имеющего малую теплопроводность, позволяет улучшить тепловое состояние режущего инструмента за счет снижения температуры в режущем клине.
Покрытия наносили методом КИБ (конденсацией из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой). Предварительно очищенные от загрязнений неперетачиваемые пластины, изготовленные из твердого сплава МК8, размещали в камере установки "Булат-6Т" с установленными в ней электродуговыми испарителями, материалы катодов которых включают элементы покрытия. После нанесения нижнего слоя покрытия осуществляли
подачу реакционного газа - азота и осаждали промежуточный слой. Далее при подаче реакционного газа азота (или смеси азота и ацетилена) наносили верхний слой покрытия. Затем отключали испарители, подачу реакционного газа, напряжение и вращение приспособления. Через 15-20 мин камеру открывали и извлекали инструмент с покрытием.
Величину опускания режущей кромки у вершины измеряли при изучении профилограмм контактных площадок на передней поверхности пластин в главной секущей плоскости на профилографе-профилометре модели К-202.
Среднюю температуру на передней поверхности пластин под покрытием рассчитывали по методике А.Н.Резникова (Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов / А.Н.Резников. - М.: Машиностроение, 1981. - 279 с.), с экспериментальным определением необходимых контактных характеристик на передней поверхности неперетачиваемых пластин с покрытием (сил резания, длины контакта стружки с передней поверхностью, коэффициента укорочения стружки).
3
Стойкостные испытания режущего инструмента проводили при продольном точении заготовок из стали 30ХГСА на токарном станке 16К20. Режимы резания: скорость резания V=180 м/мин, подача S=0,15 мм/об, глубина резания t=0,5 мм, обработка производилась без применения СОЖ. За критерий износа была принята величина фаски износа по задней поверхности: h=0,4 мм.
В табл.1 приведены результаты испытаний РИ с полученными покрытиями. Как видно из приведенных в табл. 1 данных, стойкость режущего инструмента с разработанными многослойными покрытиями повышается в 1,4-1,6 раза по сравнению с инструментом с покрытием-прототипом.
Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о
выполнении при использовании заявленного режущего инструмента с износостойким покрытием следующей совокупности условий:
Таблица 1Результаты испытаний РИ с покрытием
№ пп
Материал покрытия
Толщина слоев покрытия, мкм
Средняя температура под покрытием на передней поверхности пластины, °С
Величина опускания режущей кромки у вершины пластины, мкм, после времени работы
Стойкость, мин
Примечание
Нижний слой
Промежуточный слой
Верхний слой
10 мин
30 мин
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
TiC-TiCN-TiN
2
2
2
930
4,4
7,4
131
Аналог
2
TiSiAl-TiSiN-TiSiAlN
2
2
2
937
4,0
6,8
322
Прототип
3
TiSiAl-TiSiCN-TiSiAlCN
2
2
2
968
4,2
7,0
349
4
TiSiNbAl-NbN-TiSiAlN
1
4
2
884
3,6
6,3
513
5
TiSiNbAl-NbN-TiSiAlCN
1
4
2
909
3,8
6,4
517
6
TiFeAl-TiFeN-TiFeAlN
2
2
2
966
4,4
7,2
282
Прототип
7
TiFeAl-TiFeCN-TiFeAlCN
2
2
2
993
4,4
7,3
307
8
TiFeNbAl-NbN-TiFeAlN
1
4
2
905
3,9
6,6
416
9
TiFeNbAl-NbN-TiFeAlCN
1
4
2
929
4,0
6,8
457
Продолжение табл.1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
TiCrAl-TiCrN-TiCrAlN
2
2
2
962
4,3
7,2
288
Прототип
111
TiCrAl-TiCrCN-TiCrAlCN
2
2
2
989
4,4
7,3
318
12
TiCrNbAl-NbN-TiCrAlN
1
4
2
904
3,8
6,6
403
13
TiCrNbAl-NbN-TiCrAlCN
1
4
2
922
3,9
6,7
449
14
TiMoAl-TiMoN-TiMoAlN
2
2
2
958
4,3
7,1
286
Прототип
15
TiMoAl-TiMoCN-TiMoAlCN
2
2
2
983
4,3
7,2
312
16
TiMoNbAl-NbN-TiMoAlN
1
4
2
902
3,7
6,4
412
17
TiMoNbAl-NbN-TiMoAlCN
1
4
2
919
3,8
6,5
477
18
TiZrAl-TiZrN-TiZrAlN
2
2
2
944
4,1
6,9
297
Прототип
19
TiZrAl-TiZrCrs-TiZrAlCN
2
2
2
978
4,2
7,1
326
20
TiZrNbAl-NbN-TiZrAlN
1
4
2
987
3,6
6,3
446
21
TiZrNbAl-NbN-TiZrAlCN
1
4
2
913
3,8
6,4
515
средство, воплощающее заявленный режущий инструмент с износостойким покрытием при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области нанесения покрытий, в частности в области нанесения покрытий испарением и конденсацией в вакууме, и может быть использовано в инструментальном производстве для получения износостойких покрытий на режущем инструменте;
- для заявленного режущего инструмента с износостойким покрытием в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию "промышленная применимость".