СПОСОБ ХИМИКОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ СТАЛИ И ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF CHEMICAL AND THERMAL TREATMENT OF CUTTING TOOL MADE FROM STEEL AND SOLID ALLOYS

Настоящее изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к разработке способов повышения износостойкости и эффективности, увеличению сроков службы режущего инструмента из стали или твердых сплавов, в частности мелкоразмерного (диаметром менее 2 мм) и микроразмерного (диаметром менее 1 мм) концевого режущего инструмента, к которому следует отнести сверла для сверления печатных плат, гравировальные резцы и фрезы, путем совершенствования технологии нанесения упрочняющих покрытий.
Одним из эффективных методов, предлагаемых и используемых при решении задачи повышения износостойкости и эффективности мелкоразмерного и микроразмерного концевого режущего инструмента, стал метод нанесения на режущую поверхность инструмента износостойких покрытий с помощью ионно-плазменного напыления.
Данный способ не обеспечивает существенного повышения износостойкости инструмента, поскольку не образует эффективных износостойких структур на его режущих поверхностях.
Известен комбинированный способ ионно-плазменной и химикотермической обработки инструмента, включающий нанесение на очищенную поверхность инструмента высокомолекулярных поверхностно-активных веществ (ПАВ) с последующим нанесением износостойкого покрытия методом ионно-плазменного напыления (Л.1).
Такой способ повышает износостойкость инструмента за счет улучшения сцепления покрытия с поверхностью инструмента и одновременно повышает качество покрытия за счет уменьшения микротрещин и пор на кромках инструмента.
К недостаткам этого метода следует отнести большой разброс результатов, получаемых во время работы обработанного по этой технологии инструмента. Скорее всего, этот разброс связан с тем, что в монослое ПАВ, образованном на поверхности инструмента, получаются разрывы, возникающие из-за разницы температур на поверхности инструмента. В результате этого на режущих поверхностях инструмента появляются микро- и макродефекты, которые при последующем нанесении на них различных упрочняющих покрытий с помощью ионно-плазменного напыления не дают стабильных результатов.
В патенте RU №2371513 С1 заявлен способ модификации поверхностей изделий, который предлагается для использования в машиностроении и в инструментальном производстве. На изделие в вакууме наносят наноструктурированное пленочное покрытие при одновременном облучении слоя покрытия высокоэнергетическим ионным пучком имплантера.
Данный способ - наиболее близкий аналог предлагаемого изобретения, способствует общему улучшению качества сцепления покрытия с поверхностью изделия до 3-х раз за счет эффекта перемешивания атомов покрытия с материалом изделия, выравнивает покрываемую поверхность.
Однако в патенте не затрагиваются вопросы повышения долговечности покрытия за счет увеличения адгезионных свойств, что оставляет возможность дальнейшего улучшения сцепления покрытия с поверхностью инструмента.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание способа нанесения упрочняющего покрытия на поверхность режущего инструмента из стали или твердых сплавов, в частности на поверхность мелкоразмерного и микроразмерного инструмента, который повышает износостойкость инструмента, делает его более эффективным и увеличивает срок работы.
Указанный технический результат достигается улучшением сцепления покрытия с поверхностью инструмента, повышением качества покрытия, снижением количества микротрещин и пор, микро- и макродефектов на режущих поверхностях инструмента за счет того, что перед нанесением наноструктурированного упрочняющего покрытия осуществляют очистку и обезжиривание поверхности инструмента, затем обработку инструмента раствором высокомолекулярных фторсодержащих соединений с поддерживанием температуры раствора при вращении инструмента со скоростью 12000 об/мин и/или при ультразвуковой обработке с частотой, не доводящей раствор дл кавитации, а в качестве наноструктурированного упрочняющего покрытия наносят TiCr-TiCrN-TiN из сепарированной плазмы.
Предлагается следующая технологическая схема химико-термической обработки (ХТО) режущего инструмента из стали или твердых сплавов.
1. Поверхности обрабатываемых образцов инструмента чистятся и обезжириваются.
2. После очистки и обезжиривания инструмент сушится на воздухе, затем в сушильных шкафах около 1 часа при температуре ~65°С. После сушки в сушильных шкафах инструмент остывает на воздухе.
3. Затем инструмент на определенное время помещается в раствор высокомолекулярных фторсодержащих соединений, где устанавливается и поддерживается температура раствора, а обрабатываемый инструмент вращается в растворе со скоростью 12000 об/мин и/или подвергается ультразвуковой (УЗ) обработке с частотой, не доводящей раствор до кавитации.
4. Инструмент вынимается из камеры и проходит сушку на воздухе 1-2 часа, затем в сушильной камере 1-3 часа при температуре 80-100°С.
5. На обработанную в растворе высокомолекулярных фторсодержащих соединений и тщательно высушенную поверхность инструмента наносится наноструктурированное упрочняющее покрытие TiCr-TiCrN-TiN из сепарированной плазмы.
Предложенным способом были обработаны цельные твердосплавные сверла диаметром 0,92 мм, используемые для сверления печатных плат. Исследовалась их стойкость сверлению на больших оборотах
За критерий оценки срока годности каждого сверла было принято количество просверленных каждым сверлом отверстий в базовой поверхности без образования на ней задиров, изломов, шероховатостей, втягивания в отверстие металлизированных элементов, без поломки сверла или его порчи.
В эксперименте использовались 15 сверл, разделенных на пять групп по количеству предлагаемых вариантов обработки (см. таблицу 1).
Таблица 1
Вариант обработки
Очистка и обезжиривание
Обработка раствором высокомолекулярных фторсодержащих соединений
Вращение в растворе ВФС со скоростью 12000 об/мин
Ультразвуковая обработка
1
+
-
-
-
2
+
+
-
-
3
+
+
+
-
4
+
+
-
+
5
+
+
+
+
Условия проведения испытаний
- Просверливался материал: FR4-155-35/35.
- Использовалось оборудование - VHF САМ 1520 Activ Pro (Германия).
- Сверление велось на max скорости вращения - 60000 об/мин.
- Скорость подачи - 420 мм/мин.
Технические характеристики ХТО.
- Концентрация высокомолекулярных фторсодержащих соединений - 0,5%.
- Температура обработки - 120°С.
- Время ХТО - 1,5 часа.
- Скорость вращения инструмента (сверл) - 12000 об/мин.
- Воздействие ультразвука при частоте, не допускающей кавитации раствора.
Результаты испытаний приведены в таблицах 2-6.
В каждой таблице приводятся данные, полученные при испытаниях сверл, прошедших одно из пяти вариантов обработки.
1 вариант обработки
Таблица 2
№ сверла в группе
Количество просверленных отверстий
Причины отказа
1
1230
Задиры на фольге
2
1580
Затягивание фольги в отверстие
3
1340
Задиры на фольге
2 вариант обработки
Таблица 3
№ сверла в группе
Количество просверленных отверстий
Причины отказа
1
3900
Задиры на фольге
2
3700
Задиры на фольге
3
4400
Поломка сверла
3 вариант обработки
Таблица 4
№ сверла в группе
Количество просверленных отверстий
Причины отказа
1
4200
Задиры на фольге
2
3900
Задиры на фольге
3
5100
Задиры на фольге
4 вариант обработки
Таблица 5
№ сверла в группе
Количество просверленных отверстий
Причины отказа
1
3900
Поломка сверла
2
4800
Задиры на фольге
3
5300
Задиры на фольге
5 вариант обработки
Таблица 6
№ сверла в группе
Количество просверленных отверстий
Причины отказа
1
5120
Поломка сверла
2
6510
Задиры на фольге
3
12834
Задиры на фольге
Наилучшие результаты в проведенных испытаниях проверки стойкости однотипных сверл сверлению показали сверла, прошедшие химико-термическую обработку с одновременным вращением в обрабатывающем растворе обрабатываемого инструмента и воздействием на него ультразвука, т.е 5 вариант обработки. Их износостойкость по сравнению со сверлами, прошедшими только ХТО, выше в 10-6 раз. Это говорит о высоком качестве покрываемой режущей поверхности сверла и высоком качестве износостойкого покрытия.
Очень похожи результаты у сверл, прошедших 3 и 4 варианты обработки, они тоже высоки. Их износостойкость выше износостойкости сверл, прошедших только ХТО, в 6-5 раз.
Сверла, прошедшие только ХТО, имели явное преимущество только перед очищенными и обезжиренными сверлами, т.е. стандартными складскими сверлами.
Литература
1. SU 1839486 A1 C23C 14/22. Описание изобретения к авторскому свидетельству «Способ обработки режущего инструмента из стали и твердых сплавов». Альтман В.А. и др.