Режущий инструмент из твердого сплава с многослойным покрытием

Полезная модель относится к нанесению износостойких слоев на режущий инструмент, в частности к нанесению покрытий высокоскоростным сверхзвуковым напылением на твердосплавный режущий инструмент, и может быть использована во всех областях машиностроения, связанных с механической обработкой металлов, в том числе легких сплавов, в частности, никелевых, титановых, алюминиевых.
Аналогом полезной модели является режущий инструмент с многослойным покрытием на рабочей части, содержащий инструментальную основу из твердого сплава и нанесенное на нее пятислойное покрытие, покрытие состоит из нижнего, адгезионного, слоя из нитрида хрома, первого переходного слоя из нитридов алюминия, титана и хрома при их соотношении, мас. %: алюминий 36,13-38,54, титан 16,01-18,37, хром 43,09-47,86, износостойкого слоя, выполненного из нитридов алюминия и титана при их соотношении, мас. %: алюминий 63,25-68,81, титан 31,19-36,75, второго переходного слоя, имеющего тот же состав, что и первый переходный слой, и пятого, антиадгезионного, слоя, выполненного из нитрида хрома (патент РФ №148380).
Недостатком данного режущего инструмента с многослойным износостойким покрытием являются низкие прочностные характеристики покрытия, в частности адгезия, износостойкость и прочность.
Наиболее близким по технической сущности является режущий инструмент из твердого сплава с многослойным покрытием, в котором многослойное покрытие представляет собой композит, состоящий из первого, нижнего, слоя из никеля, второго слоя из материала с эффектом памяти формы Ti-Ni-Hf при следующем соотношении, мас. %:
титан
29,1-29,8
никель
50,2-50,1
гафний
19,6-20,5
3
2
и третьего, износостойкого слоя, из эльбор-WC-CrC-Co-C при следующем соотношении, мас. %:
эльбор
35-75
WC
7-40
Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>
7-30
Со
10-15
С
1-3.
Толщина первого, адгезионного, слоя составляет 50-80 мкм, упомянутого второго слоя - 500-600 мкм и третьего, износостойкого, слоя - 400-500 мкм, при этом общая толщина покрытия составляет 1,08-1,18 мм.
Недостатками данного режущего инструмента с многослойным износостойким покрытием являются низкие прочностные характеристики покрытия, в частности адгезия, износостойкость и прочность.
Задачей полезной модели является усовершенствование режущего инструмента с многослойным композиционным материалом, позволяющее повысить его стойкость при механической обработке.
Техническим результатом является повышение прочностных характеристик слоев, в частности адгезии, износостойкости, прочности.
Технический результат достигается тем, что режущий инструмент с многослойным покрытием, содержит основу из твердого сплава и покрытие, выполненное в виде композита, содержащего первый, нижний, адгезионный слой из никеля, второй слой из материала с эффектом памяти формы и износостойкий слой, при этом покрытие дополнительно содержит упрочняющий слой, расположенный между адгезионным слоем и слоем из материала с эффектом памяти формы, при этом слой из материала с эффектом памяти формы состоит из Ti-Ni-Ta при следующем соотношении компонентов, масс. %:
титан
37,5-38,2
никель
50,1-50,2
тантал
11,6-12,4,
упрочняющий слой - из cBN-Ni при следующем соотношении компонентов, масс. %:
кубический нитрид бора
40-50
никель
50-60
а износостойкий слой из наноалмазных частиц и кобальта при следующем соотношении компонентов, мас. %:
наноалмазные частицы
80-90
кобальт
10-20.
Толщина адгезионного слоя составляет 100-150 мкм, слоя из материала с эффектом памяти формы - 550-650 мкм, упрочняющего слоя 500-550 мкм, износостойкого слоя - 550-600 мкм, при этом общая толщина покрытия составляет 1,7-1,95 мм. Упрочняющий слой содержит наноалмазные частицы от 35-60 нм.
Принятая последовательность слоев обеспечивает повышение прочностных характеристик и износостойкости композита. Наличие слоя из материала с эффектом памяти формы, помимо характерных для этих материалов свойств памяти, сверхупругости или сверхэластичности, тормозит, а иногда блокирует распространение дефектов типа трещин, возникающих в прочном, третьем слое и, как следствие, способствует повышению прочности и долговечности. Упрочняющий слой способствует повышению долговечности за счет введения кубического нитрида бора (cBN) и залечиванию дефектов, трещин в износостойком слое. Износостойкий слой обладает повышенной твердостью 82-85 ГПа. Такая структура слоев позволяет получить высокую прочность сцепления с основой из-за наличия в покрытии нижнего, адгезионного, слоя, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой и слоем из материала с эффектом памяти формы благодаря присутствию Ni, имеющего хорошее химическое взаимодействие с материалом режущего инструмента и слоя из материала с эффектом памяти формы, что увеличивает прочность из связи между собой. Третий упрочняющий слой, состоящий из cBN 40-50, Ni 50-60 обладает повышенной долговечностью, что увеличивает прочность композита. Четвертый износостойкий слой, состоящий из наноалмазных частиц (80-90) размером от 35-60 нм и кобальта (10-20), позволяет повысить износостойкость,
Пример 1.
На инструментальную основу режущего инструмента из твердого сплава наносят высокоскоростным газопламенным напылением в защитной атмосфере первый, адгезионный, слой Ni толщиной 100 мкм, далее на первый слой наносят высокоскоростным газопламенным напылением второй слой из материала с эффектом памяти формы Ti-Ni-Ta толщиной 550 мкм при следующем соотношении компонентов, мас. %: титан 37,5, никель 50,1, тантал 12,4, далее на второй слой наносят высокоскоростным газопламенным напылением упрочняющий, третий слой, состоящий из cBN-Ni толщиной 550 мкм при следующем соотношении, мас. %: cBN 40, Ni 60, и четвертый износостойкий слой, состоящий из наноалмазных частиц размером 35-60 нм и кобальта толщиной 500 мкм при следующем соотношении, мас. %: наноалмазные частицы 80, кобальт 20. В результате получают многослойное покрытие - композит с повышенными прочностными характеристиками, адгезией, износостойкостью, прочностью общей толщиной 1,7 мм.
Результатом применения полезной модели при обработке быстрорежущих сталей стало увеличение среднего периода стойкости режущего инструмента с предлагаемой моделью получения слоев на 60-65% по сравнению со средним периодом стойкости аналогичного режущего инструмента с покрытием - прототипом.