СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН
CUTTING PLATE MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к металлообработке, а именно к металлорежущему инструменту, который включает режущую пластину из спеченного твердого сплава с износостойким покрытием.
Известны режущие пластины с двухслойными покрытиями из тугоплавких соединений (Верещака А.С. Работоспособность инструмента с износостойким покрытием. - М.: Машиностроение, 1993-336 с.), в частности двухслойное покрытие TiC+Ti(CN), т.е. из карбидов титана и карбонитридов титана. Такое покрытие позволяет повысить работоспособность режущей пластины до 2…3 раз при обработке конструкционных сталей, чугунов. Покрытия наносят осаждением из газовой фазы толщиной 5…6 мкм. Считается, что недостатком такого метода осаждения износостойкого покрытия является образование между подложкой и нижним слоем покрытия из TiC хрупкой η-фазы, что способствует отслаиванию покрытия и снижению износостойкости режущих пластин.
В качестве прототипа принят способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента (патент РФ №2410466, С23С 14/24, В23В 27/14, опубл 27.01.2011). Способ включает вакуумно-плазменное нанесение двухслойного покрытия, в качестве нижнего слоя при давлении азота в камере установки 7,5.10-4 Па и температуре 600°С наносят нитрид титана и молибдена или нитрид титана и хрома, или нитрид титана и ниобия, а в качестве верхнего слоя при давлении азота в камере установки 4,3.10-3 и температуре 500°С наносят такой же нитрид, легированный цирконием. Наносят нижний слой толщиной 40-50% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет 5-8 мкм.
Режущая пластина, изготовленная по такому способу и с такими покрытиями, позволяет повысить износостойкость в 1,5…2 раза по сравнению с режущей пластиной с покрытием TiC-Ti(CN) при обработке как конструкционных, так и ряда труднообрабатываемых материалов.
Этот результат связан с тем, что верхний слой покрытия является многокомпонентным (TiMoZr)N. Однако недостатком такого вида режущей пластины является низкий прирост износостойкости. Это связано с тем, что, как показало наше исследование микротвердости шлифа режущей пластины, нижний слой покрытия имеет нестехиометрический состав, т.е. содержит от 0,7 до 0,8 азота, а поэтому и меньшую твердость, чем верхний. Известно, что даже соединение стехиометрического состава уже имеет дефекты типа вакансий. Поэтому нижний слой покрытия содержит и увеличенное количество кобальта из основы, что связано с высокой температурой (600°С) осаждения покрытия. Это приводит к быстрому разрушению нижнего слоя после износа верхнего слоя покрытия. Таким образом, уменьшение прочности границы раздела нижнего слоя покрытия с подложкой и низкая твердость нижнего слоя снижают работоспособность покрытия в целом.
Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.
Решаемая задача - повышение работоспособности режущих пластин.
Технический результат - повышение износостойкости режущих пластин.
-4
-3
-4
-3
Этот технический результат достигается тем, что в способе изготовления режущей пластины, включающем осаждение вакуумно-плазменным методом на твердосплавную основу двухслойного покрытия в качестве нижнего слоя при температуре 600°С и давлении азота в камере установки 7,5·10 Па наносят нитрид титана и молибдена, или нитрид титана и хрома, или нитрид титана и ниобия, а в качестве верхнего слоя при давлении в камере 4,3·10 Па и температуре 500°С наносят такой же нитрид, легированный цирконием, нижний слой покрытия осаждают при плавном увеличении давления азота за время осаждения нижнего слоя в камере установки от 7,5·10 до 4,3·10 Па.
В результате нижний слой имеет переменный нестехиометрический состав азота по толщине, в частности уже стехиометрического состава на границе с верхним слоем. Это обеспечивает как хорошую адгезию нижнего слоя с подложкой, так и повышение в целом твердости нижнего слоя. В процессе распыления катодов возбужденные атомы осаждаются на подложку, где они объединяются в кластеры. При резком или ступенчатом изменении давления азота они могут не успеть прореагировать с азотом и в результате может появиться пористость покрытия или даже капельная фаза, что снижает прочность покрытия.
Плавное увеличение давления азота в камере установки за время осаждения (18 мин) нижнего слоя покрытия повышает его твердость, а следовательно, и износостойкость режущей пластины за счет уменьшения отрыва частиц покрытия нижнего слоя после износа верхнего слоя. Данный эффект особенно является значительным при резании труднообрабатываемых материалов.
Пример осуществления способа.
-3
-4
-3
-3
3
Изготавливали режущие пластины, где на основу (подложку) из твердого сплава ВК8 методом КИБ осаждали двухслойные покрытия по 3 мкм каждого слоя. Перед напылением пластины подвергали ультразвуковой обработке и промывке ацетоном и спиртом. Затем пластины помещали в вакуумную камеру установки Булат-6, снабженной тремя испарителями. Камеру откачивали до давления 6,65·10 Па, включали поворотное устройство и подавали на него отрицательное напряжение 1,1 кВ. Затем включали один из испарителей и при токе дуги 100 А проводили ионную очистку и нагрев пластин до температуры 560-580°С. Затем снижали отрицательное напряжение до 150 В, а ток катушек до 0,35 А. Включали два испарителя, содержащие два катода из титана и молибдена и подавали реакционный газ-азот, осаждая слой нитрида (TiMo)N при начальном давлении 7,5·10 Па толщиной 3 мкм в течение 18 мин, плавно изменяя давление за это время до 4,3·10 Па путем откачки азота при температуре 600°С. Нижний слой по этому способу толщиной 3 мкм формировали как из нитридов титана и молибдена, так и из нитридов титана и хрома или из нитридов титана и ниобия, а верхний слой из тех же нитридов, но их получали трехкомпонентными, т.е. они содержали и цирконий, причем осаждение верхнего слоя проводили уже при том же давлении азота, те при 4,3·10 Па, снижая температуру до 500°С, уменьшая для этого ток фокусирующих катушек до 0,25 А. Осуществляли также нанесение таких же составов покрытий на твердосплавные пластины по прототипу. Затем проводили точение жаропрочной стали 2Х13. Режим резания: скорость резания V=50 м/мин, глубина резания t=2 мм, подача - S=0,21 мм/об. Определяли Т-время резания при достижении износа режущей пластины по задней поверхности h=0,4 мм. Испытаниям подвергали четырехгранные режущие пластины с твердосплавной основой из ВК8, изготовленные по предлагаемому способу и режущие пластины из ВК8, изготовленные по прототипу. Результаты испытаний приведены в таблице.
Из таблицы видно, что режущая пластина, изготовленная по предлагаемому способу, имеет повышение износостойкости до двух раз, по сравнению с прототипом.
Вид пластин
Предлагаемый способ изготовления режущей пластины
Прототип (патент на изобретение №2510466)
ВК8+ (TiMo)N+ (TiMoZr)N
BK8+ (TiCr)N+ (TiCrZr)N
BK8+ (TiNb)N+ (TiNbZr)N
ВК8+ (TiMo)N+ (TiMoZr)N
BK8+ (TiCr)N+ (TiCrZr)N
BK8+ (TiNb)N+ (TiNbZr)N
Время резания до износа h<sub>3</sub>=0,4 мм, в мин
16
20
24
8
9
12