Режущая пластина

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к металлообработке, а именно к металлорежущему инструменту, и включает режущую пластину из спеченного твердого сплава с износостойким покрытием.
Для повышения износостойкости режущая пластина, содержащая нанесенное на нее многослойное покрытие, включает слои: нитрид титана, нитрид молибдена, верхний слой из наноструктурного нитрида циркония и мягкий слой из циркония между ним и нитридом молибдена.
Полезная модель относится к области машиностроения, в частности, к металлообработке.
Известны режущие пластины с многослойными 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. Покрытие позволяет повысить работоспособность режущей пластины до 2…3 раз при обработке конструкционных сталей, чугунов. Такие покрытия наносят осаждением из газовой фазы толщиной 5…6 мкм.
Известна режущая пластина, где осаждение покрытия проводят как газофазным методом (CVD), так и физическим методом (PVD), в частности конденсацией с ионной бомбардировкой частицами из тугоплавких металлов (метод КИБ). Предложена режущая пластина с покрытием Cr-TiC-Ti(CN)-TiN. Мягкий слой, из хрома осаждается методом КИБ, верхний слой из нитрида титана (TiN) также осаждают методом КИБ с зернами порядка - 30 нанометров, т.е. является наноструктурным (см. О.В. Волхонский, Н.В. Блинков и др. Влияние наноструктурного финишного слоя TiN в комбинированных PVD/CVD/PVD покрытиях на свойства режущего инструмента/ Труды международной научно-технической конференции <Нанотехнологии функциональных материалов>, С. Петербург, 2010).
Данная режущая пластина с покрытием Cr-TiC-Ti(CN)-TiN позволяет повысить износостойкость в 1,5…2 раза по сравнению с режущей пластиной с покрытием TiC-Ti(CN).
Недостатком такого вида режущей пластины является низкий прирост износостойкости. Это связано с тем, что, как показало наше исследование, разрушение покрытия происходит путем его растрескивания, начинается с верхних слоев и трещины прорастают в подложку. При этом образуется сетка микротрещин, а отрыв частиц покрытия происходит из-за адгезии с обрабатываемым металлом. При отрыве частиц покрытия обнажается основа (подложка) из твердого сплава. Поэтому необходимо повышать, прежде всего, трещиностойкость верхних слоев покрытия режущей пластины, которые растрескиваются с самого начала резания.
В качестве прототипа взята режущая пластина (патент RU 112657 U1), содержащая основу из твердого сплава и нанесенное на нее покрытие, включающее слои: карбид титана, карбонитрид титана, верхний слой наноструктурного нитрида циркония и мягкий слой из циркония между ним и карбонитридом титана.
Данная режущая пластина позволяет повысить износостойкость по сравнению с вышеописанной режущей пластиной до 2 раз при обработке конструкционных и закаленных сталей. Однако недостатком такого вида пластин является низкая износостойкость при обработке нержавеющих и коррозионно-устойчивых сталей и сплавов. Дело в том, что при их резании наблюдаются более высокие температуры, чем при обработке конструкционных сталей. Кроме того, возникает необходимость смены реагента, т.е. углекислого газа на азот, что снижает производительность процесса напыления.
Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.
Решаемая задача - совершенствование режущих пластин с покрытием с целью повышения их износостойкости.
Технический результат - повышение износостойкости режущих пластин обеспечивается путем использования мягкого слоя и верхнего слоя покрытия из более жаропрочных материалов.
Этот технический результат достигается тем, что в режущей пластине с износостойким многослойным покрытием, содержащей основу из твердого сплава и покрытие, включающее нижние два слоя, слой из циркония толщиной 1 мкм и верхний наружный слой из наноструктурного нитрида циркония с размером зерен 30-50 нм толщиной 1-1,5 мкм, два нижних слоя покрытия выполнены в виде слоя нитрида титана толщиной 2,5 мкм и расположенного на нем слоя из нитрида молибдена толщиной 2,5 мкм.
Осаждение в качестве нижних слоев нитрида титана и нитрида молибдена, обладающих более высокой износостойкостью и трещиностойкостью, чем карбиды титана и карбонитрида титана и повышает износостойкость покрытия в целом за счет повышения прочности сцепления покрытия с основой, а, следовательно, его износостойкости и уменьшения отрыва частиц покрытия. Данный эффект особенно является значительным при резании нержавеющих и коррозионно-устойчивых сталей и сплавов.
Пример осуществления (реализации) режущей пластины (фиг. 1): 1 - ТТ10К8Б, 2 - TiN, 3 - MoN, 4 - Zr, 5 – ZrN.
Режущая пластина с износостойким многослойным покрытием, содержащая основу из твердого сплава (1) и покрытие, включающее нижние два слоя, слой из циркония (4) толщиной 1 мкм и верхний наружный слой из наноструктурного нитрида циркония (5) с размером зерен 30-50 нм толщиной 1-1,5 мкм, два нижних слоя покрытия выполнены в виде слоя нитрида титана (2) толщиной 2,5 мкм и расположенного на нем слоя из нитрида молибдена (3) толщиной 2,5 мкм.
Изготавливали режущие пластины, где на основу (подложку) из твердого сплава ТТ10К8Б методом КИБ (в установке ННВ) осаждали покрытия TiC и Ti (CN) по 2,5 мкм, а затем осаждали мягкий слой из циркония толщиной 1 мкм и испаряли катод из циркония в среде азота, формируя нитрид циркония ZrN толщиной 1-1,5 мкм с размером зерен порядка 30…50 нанометров. Осуществляли точение нержавеющей стали Х18Н9Т. Режим резания: скорость резания V=40 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 hз=0,4 мм. Испытаниям подвергали предлагаемые четырехгранные режущие пластины и режущие пластины по прототипу. Результаты испытаний приведены в таблице.
По результатам испытаний режущих пластин, приведенных в таблице, видно, что предлагаемая режущая пластина, содержащая в нижнем слое покрытия нитрид титана и нитрид молибдена, мягкий слой из чистого циркония между ним и нитрид циркония обеспечивает повышение износостойкости свыше 2 раз.
Преимущество предлагаемой режущей пластины, имеющей в нижнем слое покрытия нитрид титана и нитрид молибдена, обеспечивается тем, что повышается прочность сцепления с твердосплавной основой, уменьшается процесс трещинообразования покрытия, прорастания трещин в основу. Это обеспечивает повышение износостойкости режущей пластины за счет уменьшения отрыва частиц покрытия.