РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С МНОГОСЛОЙНЫМ ПОКРЫТИЕМ

Полезная модель относится к устройствам и способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использована в металлообработке и в деревообрабатывающей промышленности.
Поскольку деревообрабатывающие предприятия разработкой инструмента практически не занимаются, а применяют уже готовый, предлагаемый инструментальной промышленностью, который далеко не всегда соответствует требованиям по стойкости, большое значение приобретают для деревообрабатывающей отрасли способы и методы значительного повышения износостойкости готового инструмента.
Известен способ упрочнения литого режущего инструмента из быстрорежущей стали, включающий насыщение из обмазки, содержащей, мас.%: ферротитан 50-60, карбид бора 20-30, краснокровяная соль 15-25, хлористый аммоний 2-3, и последующий трехкратный отпуск совместно с сульфидированием в герметическом муфеле в среде сульфата натрия при 550-570 С в течении 1 ч.
Перед насыщением из обмазки инструмент шлифуют, затачивают и подвергают цементации при 980-1020 С с выдержкой в течение 1,5 ч. и охлаждением вместе с муфелем, состав обмазки разводят в этилсиликате до получения сметанообразной пасты, а в качестве ферротитана используют FeTi-75. (П-2172360, 7 С 23 С 12/00, C 23 F 17/00, опубликовано 2001.08.20)
Недостатком данного способа является его сложность воспроизводства и невысокая прочность сцепления наносимого покрытия с материалом инструмента.
Известны способы упрочнения режущих инструментов, заключающиеся в том, что на предварительно подготовленную поверхность режущей кромки наносится износостойкое покрытие из нитрида титана, при этом образуется переходная зона между поверхностью инструмента и покрытием, величина которой влияет на сцепление покрытия с материалом инструмента. (П-2062817, С 23 С 14/00, 14/26, опубл. 1996.06.27.)
Недостатком данного способа является то, что такой способ требует нагрева покрываемого инструмента, а с ростом температуры увеличивается толщина переходной зоны, что приводит к снижению прочности покрытия.
Известен режущий инструмент с многослойным покрытием, содержащий инструментальную основу из твердого сплава и нанесенное на нее трехслойное износостойкое ионно-плазменное покрытие, состоящее из верхнего слоя покрытия нитрида титана TiCN и нижнего слоя карбонитрида титана. (Пол. мод. 23076, 7 С 23 С 14/32, опубл. 2002.05.20.).
Наиболее близким к предлагаемому является инструмент с многослойным покрытием, содержащий инструментальную основу из твердого сплава и нанесенное на нее трехслойное износостойкое ионно-плазменное покрытие, состоящее из внешнего слоя покрытия нитрида титана TiN, нижнего слоя карбонитрида титана NiCN и дополнительно содержащий промежуточный слой, подвергнутый ионной бомбандировке. В качестве материала промежуточного слоя выбран нитрид титана -алюминия NiAIN или нитрид титана-циркония NiZrN.
(Пол. мод. 37721, 37722, 7 С 23 С 14/32, опубл. 2004.05.10.)
Оновными недостатками таких покрытий является то, что упрочняющие покрытия, обладающие хорошей адгезией к инструментальному материалу, имеют относительно низкую твердость и уровень сжимающих напряжений, либо имеют высокую микротвердость, но недостаточную прочность сцепления с инструментальной основой. В результате этого покрытие легко подвергается абразивному износу, в нем быстро зарождаются и распространяются трещины, приводящие к разрушению покрытия, что снижает стойкость режущего инструмента.
Наибольший интерес при этом представляют методы, с помощью которых достигается значительное упрочнение поверхностных слоев работающих граней инструмента. Основным достоинством поверхностной обработки инструмента является сочетание высокой твердости и прочности поверхностного слоя с вязкостью и высокой пластичностью основы изделия. При этом возникают реальные возможности образования материалов с наперед заданными свойствами, соответствующими условиям эксплуатации инструмента.
Значительный эффект поверхностного упрочнения достигается за счет повышения не только твердости, но и износо- и коррозийной стойкости рабочей поверхности инструмента.
Для реализации указанных достоинств в промышленных условиях представляют интересы методы упрочнения концентрированными потоками энергии, в том числе с использованием электрических разрядов. Наиболее простым при этом является способ электроискрового легирования.
Электроискровое легирование особенно эффективно для повышения износостойкости дереворежущего инструмента в условиях острейшего дефицита инструментальных сталей.
Техническим результатом полезной модели является повышение работоспособности и стойкости режущего инструмента и качества обработки материала.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что на режущий инструмент наносится покрытие в виде двух электроэрозионных слоев, нанесенных твердосплавными электродами, причем нижний слой имеет твердость 55-65 HRC, а твердость внешнего слоя составляет 65-80 HRC.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом -фиг.1
На чертеже показан режущий инструмент с упрочненной легированной поверхностью.
Режущий инструмент состоит из основного материала 1, выполненного из инструментальной стали и нанесенного твердосплавными электродами электроэрозионного покрытия 2. Причем покрытие выполнено из двух слоев 3 и 4, которые имеют разную поверхностную твердость.
Твердость нижнего слоя 3 составляет 55-65 HRC, а твердость второго слоя 4 составляет 65-80 HRC.
Для осуществления предлагаемого технического решения обрабатываемый режущий инструмент подвергают электроэрозионной обработке известными способами. В зависимости от исходных физико-химических свойств обрабатываемой поверхности устанавливают режимы обработки и вид легирующего материала-электрода.
В процессе легирования материал электрода переносится на обрабатываемую поверхность инструмента, образуя слой высокопрочного покрытия из легирующего материала.
При недостаточной сплошности покрытия легирование можно повторить методом дополнительного прохода упрочняющего электрода.
В результате исследований на опытно-экспериментальных образцах (металлические деревообрабатывающие ножи), были отработаны режимы упрочнения электроискровым легированием с использованием в качестве электродов тугоплавких материалов. В качестве легирующих материалов были опробываны твердые сплавы: : ВК15, Т15К6, ВК6М.
Электроискровое легирование режущего инструмента проводили при следующих параметрах:
- технологический ток, А
- 100
- напряжение холостого хода, В
- 110
- емкость конденсаторов, мкф
- 250
- охлаждение дискового электрода
- сжатый воздух
- скорость обработки детали, мм/мин.
- до 100
- сплошность покрытия за один проход, %
- до 95
- твердость материала инструмента, HRC
- 54
- твердость нижнего слоя покрытия, HRC
- 62
- твердость верхнего слоя покрытия, HRC
- 78
- толщина нижнего слоя покрытия, мм
- 0,05
- толщина верхнего слоя покрытия, мм
- 0,07
Микротвердость покрытия составила 16 ГПа, что позволило повысить износостойкость рабочей поверхности режущей кромки инструмента.
Было установлено, что общий уровень износостойкости деревообрабатывающих ножей, легированных указанными сплавами, оказался значительно выше, чем у неупрочненных термозакаленных контрольных образцов (по основному показателю затупления на одинаковой протяженности пути контакта с древесиной):
Таблица №1
Марка стали образца
Упрочняющий материал
Коэффициент повышения износостойкости
9ХФ
КВ6М
1,76
9ХФ
Т15К6
2,65
9ХФ
ВК15
1,95
9ХФ
Контрольный образец
1,0
8Н1А
ВК6М
1,70
8Н1А
Т15К6
2,43
8Н1А
ВК15
1,88
8Н1А
Контрольный образец
1,0
Исследования режимов электроэрозионного легирования деревообрабатывающих ножей из сталей 9ХФ и 8Н1А с применением в качестве упрочняющего элемента тугоплавких электродов типа ВК6М, ВК15, Т15К6 показали:
- на сталях обеих марок наибольший эффект упрочнения был достигнут при использовании легирующего сплава Т15К6;
- общий уровень износостойкости деревообрабатывающих ножей до и после упрочнения оказался несколько выше на стали 9ХФ, чем на стали 8Н1А
Результаты испытаний приведены в таблице №2
Таблица №2
Способ упрочнения
Легирующий материал
Время работы деревообрабатывающих ножей (час.)
Коэффициент износостойкости
2-х слойное электроискровое легирование
Т15К6ВК15
54,045,5
2,842,69
Ионно-плазменоеМногослойное покрытие
Т15К6
40,8
2,15
(по прототипу)
ВК15
37,0
2,05
Контрольные без упрочнения
-
19,0
1,0
Как видно из приведенных в таблицах 1, 2 данных, стойкость деревообрабатывающих ножей, обработанных по предлагаемому техническому решению выше в 1,7-2,8 раза в сравнении с обычными термообработанными ножами ив 1,3 раза выше обработанных по способу - прототипу.
Данные показатели удалось достичь благодаря сочетания высокой пластичности основы инструмента с высокой твердостью и прочностью упрочненного поверхностного слоя.
Предлагаемое решение позволяет существенно повысить износостойкость инструмента, сократить расход дорогостоящих материалов, что существенно повышает эффективность использования инструмента.
Наилучшие показатели были достигнуты при твердости материала инструмента до 50 HRC, а твердость нижнего упрочненного слоя составляла 55-65 HRC, твердость верхнего упрочненного слоя составляла 65-80 HRC.
Таким образом заявляемое техническое решение полностью выполняет поставленную перед изобретением задачу.
Достоинством данного технического решения является:
- высокая прочность сцепления нанесенного материала электрода с инструментальной основой за счет взаимного диффузионного механического перемешивания;
- возможность локального нанесения покрытия без специальной защиты остальной поверхности;
- отсутствие изменений физико-механических свойств деталей
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-технической информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого технического решения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источников, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели.
Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует критерию "новизна".
Заявляемая полезная модель может быть реализована промышленным способом в условиях серийного производства с использованием известных технических средств, технологий и материалов и отвечает требованиям критерия "промышленная применимость".
Для специалистов в данной области техники очевидно, что предлагаемая полезная модель не ограничивается описанными вариантами и может видоизменяться в рамках предложенной формулы полезной модели.