РЕЖУЩАЯ ПЛАСТИНА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Решение относится к области машиностроения, в частности, к металлообработке, а именно к металлорежущему инструменту, включающему режущую пластину из спеченного твердого сплава с износостойким покрытием.
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 карбида 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). Мягкий слой из хрома осаждается методом КИБ с зернами порядка 30 нанометров, т.е. является наноструктурным (см. О.В.Волхонский, Н.В.Блинов 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-NiC-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 как прочность сцепления нижнего слоя покрытия с твердосплавной основой, так и трещиностойкость верхних слоев покрытия режущей пластины, которые растрескиваются с самого начала резания. Поэтому мягкий слой из металла следует располагать перед верхним слоем покрытия. Кроме того, недостатком такого вида пластин является низкая износостойкость при обработке нержавеющих и коррозионноустойчивых сталей и сплавов. Дело в том, что при их резании наблюдаются более высокие температуры, чем при обработке конструкционных сталей. Верхний слой из нитридов титана не обеспечивает такие требования.
Прототипом настоящего изобретения является патент РФ на полезную модель №112657, В23В 27/14, С23С 14/00, опубл. 20.01.2012.
В режущей пластине, содержащей основу из твердого сплава и нанесенное на него покрытие, включающее слои: карбида титана, карбонитрида титана, слой из металла и наружный слой из наноструктурного нитрида твердого тугоплавкого металла, наружный слой выполнен из наноструктурного нитрида циркония, а слой из металла выполнен из циркония и расположен между верхним слоем из наноструктурного нитрида циркония и слоем из карбонитрида титана.
Однако недостатком этой пластины является невысокая работоспособность режущего инструмента при резании титановых сплавов, содержащих в своей структуре цирконий. Это вызывает повышенную адгезию титановых сплавов с верхними слоями покрытия. В результате работоспособность инструмента снижается.
Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.
Решаемая задача - совершенствование структуры покрытия режущих пластин при обработке титановых сплавов, содержащих в своей структуре цирконий.
Технический результат - повышение износостойкости режущих пластин при обработке титановых сплавов, содержащих цирконий.
Этот технический результат достигается тем, что в режущей пластине для обработки титановых сплавов, содержащей основу из твердого сплава и нанесенное на нее покрытие, включающее слои: карбида титана и карбонитрида титана, слой металла, расположенный между наружным слоем из наноструктурного нитрида твердого тугоплавкого металла и слоем из карбонитрида титана, наружный слой выполнен из наноструктурных нитридов ниобия и молибдена, а слой металла - из молибдена.
Технический результат достигается путем осаждения двухэлементного тугоплавкого соединения в наружном слое покрытия и использования слоя металла (мягкого слоя) из более жаропрочных тугоплавких соединений.
Осаждение слоя металла (мягкого слоя) из чистого молибдена и верхнего соя покрытия из наноструктурных нитридов циркония и молибдена повышает жаростойкость и трещиностойкость покрытия, а следовательно, и износостойкость режущей пластины в целом за счет уменьшения отрыва частиц покрытия. Данный эффект особенно является значительным при резании титановых сплавов, содержащих в своей структуре цирконий.
Предлагаемая режущая пластина приведена на чертеже. Она содержит основу 1 из твердого сплава и нанесенное на нее покрытие, включающее слои: слой 2 - карбида титана, слой 3 - карбонитрида титана, слой 4 (мягкий слой) из молибдена, наружный слой 5 - из наноструктурных нитридов ниобия и молибдена.
Режущие пластины изготавливают следующим образом. На основу 1 из твердого сплава, например, ТТ10К8Б осаждают нижние слои покрытия как методом CVD (осаждение из газовой фазы), так и PVD (ионно-плазменное, либо магнетронное напыление), слой 2 из карбида титана и слой 3 из карбонитрида титана толщиной по 2,5 мкм. Затем методом КИБ (например, в установке ННВ) осаждают слой металла 4 (мягкий слой) - молибдена толщиной 1 мкм и испаряют два катода: из ниобия и молибдена в среде азота, формируя нитрид ниобия и молибдена (NbMo)N толщиной 1-1,5 мкм с размером зерен порядка 30…50 нанометров.
Осуществляли точение титанового сплава ВТ20 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 h3=0,4 мм. Испытаниям подвергали предлагаемые четырехгранные режущие пластины и режущие пластины по прототипу. Результаты испытаний приведены в таблице.
По результатам испытаний режущих пластин видно, что предлагаемая пластина обеспечивает повышение износостойкости свыше 2-х раз по сравнению с прототипом.
Преимущество предлагаемой пластины обеспечивается тем, что уменьшается процесс трещинообразования наружного наноструктурного слоя покрытия и отрыв частиц покрытия от твердосплавной основы. Это способствует повышению износостойкости режущей пластины.
Таблица
Вид пластин
Предлагаемая режущая пластина TT10K8B-(TiC)-Ti(CN9-Mo-(NbMo)N
Прототип (TT10C8E-TiC-Ti(CN)-Zr-(ZrN)
Время резания до износа h3=0,4 мм, в мин
17
8