МЕТЧИК С ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ ИЗ ТВЕРДОГО АМОРФНОГО АЛМАЗОПОДОБНОГО УГЛЕРОДА

Полезная модель относится к области металлообработки, а именно, к метчикам для нарезания резьбы в отверстиях разного типа
В настоящее время существует большое количество метчиков различных конструкций для нарезания резьбы в деталях, изготовленных из разных материалов.
Основными факторами, определяющими долговечность работы метчика, являются:
1. Износ и затупление режущей кромки зубьев метчика вследствие недостаточной твердости (не более 10 ГПа для инструментальной стали и 20ГПа для твердых сплавов на основе карбида вольфрама) инструментальной основы рабочей части метчика.
2. Прослабление размеров резьбы и нарушение калибровки отверстий при нарезании метчиком с изношенной калибровочной частью.
3. Налипание и затрудненный выход стружки вследствие больших коэффициентов трения (~0,3) по отводящим канавкам при нарезании резьбы в изделиях, изготовленных из мягких и вязких металлов, что зачастую приводит к поломке метчика на обратном ходе (выворачивании) при нарезке резьбы в глухих резьбовых отверстиях, вследствие чего происходит брак всей обрабатываемой детали.
В зависимости от обрабатываемого материла детали, геометрических параметров резьбы и типа отверстий существуют и продолжают разрабатываться различные конструкции метчиков с целью повышения долговечности их работы в оптимальных режимах [Патенты РФ 2103123, 2179095, 2192335, 2246382, 2229965, 2334602. Свидетельство РФ на полезную модель 52528].
Основными общими недостатками этих метчиков, являются недостаточно высокие механические и трибологические характеристики основного материала метчика, что приводит к снижению долговечности их работы.
Увеличение рабочего ресурса метчика любой конструкции может быть достигнуто повышением твердости поверхности рабочей части метчика и уменьшением усилия трения, как в зоне резания, так и в зоне проскальзывания стружки по отводящим канавкам. Повышение твердости поверхности достигается нанесением специальных покрытий на поверхность рабочей части метчика.
Наиболее часто для увеличения долговечности работы режущего инструмента и, в частности, метчиков используются многослойные износостойкие покрытия из нитрида титана и циркония [патенты РФ 2061090, 2361013, 2270270] при различном чередовании наносимых слоев.
Основными недостатками таких покрытий на метчиках является их недостаточно высокая твердость (25-30 ГПа) и невысокая адгезия покрытия к поверхности материала рабочей части метчика.
Известны метчики с износостойкими покрытиями [Д.Локтева, Е.Ямашкина «Основные виды износостойких покрытий», Наноиндустрия, 2007, №5, с.24-30].
В таблице 1 приведены типы покрытий, их твердость и коэффициенты трения, рекомендуемые в этой работе для повышения ресурса работы метчиков.
Таблица 1.
Обрабатываемый материал
Покрытие
Микротвердость, ГПа
Коэффициент трения
Сталь
TiCN+MoS<sub>2</sub>
32
0,15
TiAlCN+аморфный углерод
28
0,15
Чугун
TiAlCN
35
0,5
TiCN (многослойное)
28
0,6
Алюминий (>12%)
TiAlCN+аморфный углерод
28
0,15
TiCN (многослойное)
28
0,6
Алюминий (<12%)
Сr<sub>2</sub>N+аморфный углерод
20
0,15
TiCN (многослойное)
28
0,6
Суперсплавы (Ni, Ti)
TiAlCN+аморфный углерод
28
0,15
TiCN+MoS<sub>2</sub>
32
0,15
Медь
CrN
18
0,3
Бронза, латунь
TiCN
37
0,2
TiCN (многослойное)
28
0,6
Пластик
TiCN (многослойное)
28
0,6
TiAlCN
35
0,5
Как видно из таблицы 1, рекомендуемые покрытия обладают твердостью в диапазоне (20-40) ГПа и достаточно большими коэффициентами трения от (0,15 до 0,6). Самое низкое значение коэффициента трения (0,15) обеспечивает присутствие на поверхности покрытия аморфного углерода. Так в метчике с TiAlCN+аморфный углерод износостойким покрытием на его рабочей части толщиной 1-7 мкм, применяемым для обработки стали, основным покрытием является карбонитрид титана и алюминия, на которое наносится слой аморфного углерода толщиной до 1 мкм.
Данное покрытие имеет твердость 28 ГПа и коэффициент трения 0,15, что способствует повышению ресурса работы этого метчика при нарезании резьбы.
Но данное покрытие не обеспечивает этому метчику необходимого ресурса работы из-за недостаточней твердости покрытия особенно при нарезании резьбы в глухих отверстиях деталей, изготовленных из твердых и вязких сталей (Ст. 38ХС, Ст. 20Х2Н24А, Ст. 20Х2Н4А и др.). Недостаточная твердость покрытия приводит к преждевременному износу режущих кромок метчика и к ухудшению качества резьбы в обрабатываемых деталях (изменению размеров и профиля резьбы, образованию раковин и повышению шероховатости поверхности резьбы). Возрастает нагрузка на материал и, как следствие, его поломка, особенно при обратном ходе при нарезании резьбы в глухих отверстиях.
Наиболее близким к заявляемому является метчик с износостойким покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода на рабочей части, толщина которого составляет 1-3 мкм с расположенным под ним промежуточным адгезионным слоем толщиной не более 0,1 толщины покрытия, выполненным из титана или его соединений с углеродом [Патент РФ 93716].
Износостойкое покрытие из твердого аморфного алмазоподобного углерода толщиной 1-3 мкм обеспечило упрочнение поверхности рабочей части метчика за счет увеличения твердости его поверхности до 70-100 ГПа.
Наличие промежуточного адгезионного слоя толщиной 0,1-0,3 мкм выполненного из титана или его соединений с углеродом обеспечило наилучшее химическое взаимодействие (адгезию), этого слоя как с основным материалом метчика - инструментальной сталью, так и с покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода.
Однако метчики с таким покрытием обладают определенными недостатками, обусловленными структурой и морфологией поверхности твердого углеродного покрытия.
V
Известно, что наиболее твердые алмазоподобные покрытия (Н~100 ГПа) получают вакуумным дуговым распылением графита при энергии конденсирующихся ионов углерода около 1000 эВ. Такие покрытия неизбежно (в силу физического механизма их образования, т.н. «внутренней имплантации») обладают большими (~10 ГПа) внутренними напряжениями. Большие внутренние напряжения в покрытии не только препятствуют его надежной адгезии к подложке, но и стимулируют рост высоких по сравнению с толщиной покрытия (1-3 мкм) пирамидальных выступов на поверхности пленки, ухудшающих трибологические свойства покрытия. Этот рельеф, (шероховатость покрытия) обуславливает высокие (до 0,3-0,4) значения начальных коэффициентов трения, вследствие чего увеличивается время приработки покрытия.
Большие внутренние напряжения являются причиной снижения износостойкости из-за появления трещин в покрытии и его отслаивания от поверхности подложки. Таким образом, особенности покрытия из твердого аморфного алмазоподобного углерода ограничивают ресурс работы метчика с таким покрытием.
В основу полезной модели положена задача повышения ресурса работы метчика путем снижения силы трения при выполнении отверстий за счет уменьшения рельефа поверхности и снижения внутренних напряжений в покрытии.
Поставленная задача решается тем, что метчик с износостойким покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода на рабочей части с твердостью 70-100 ГПа, толщина которого составляет 1-3 мкм с расположенным под ним промежуточным адгезионным слоем толщиной не более 0,1 толщины покрытия, выполненным из титана или его соединений с углеродом, согласно полезной модели, снабжен дополнительным покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода, с твердостью 30-50 ГПа, толщиной 0,3 мкм - 0,5 мкм, полученным методом деструкции углеводородов в аргон-ацетиленовой плазме, расположенным поверх основного покрытия.
Выполнение покрытия метчика из двух слоев твердого аморфного алмазоподобного углерода различной твердости, первый из которых имеет твердость 70-100 ГПа, а нанесенный на него - твердость в пределах 30-50 ГПа, позволило повысить рабочий ресурс метчика с двухслойным покрытием по сравнению с метчиком с однослойным углеродным покрытием более чем в 2 раза.
Этот эффект достигается наличием на слое твердого аморфного алмазоподобного углерода с твердостью 70-100 ГПа дополнительного покрытия из аморфного алмазоподобного углерода, с твердостью в пределах 30-50 ГПа и толщиной 0,3 мкм - 0,5 мкм м, полученного методом деструкции углеводородов и обладающего более низкими коэффициентами трения, чем более твердое покрытие, получаемое вакуумно-дуговым импульсным распылением графита.
Уменьшение шероховатости поверхности такого двухслойного покрытия, состоящего из углеродной пленки, получаемой разными методами осаждения, и тем самым снижение значения начальных коэффициентов трения позволяет существенно уменьшить время, необходимое для приработки метчика с покрытием.
Заявляемое двухслойное покрытие было нанесено на рабочую поверхность метчиков на установке УВНИИПА-1-001, в камере которой размещена система для создания углеводородной плазмы. Установка позволяет в одном вакуумном цикле проводить ионную очистку поверхностей напыляемых метчиков, напыление металла и карбида этого металла и нанесение углеродного покрытия двумя различными методами: деструкцией углеводородного газа (патент РФ №2382116) и импульсно-дуговым распылением графитовой мишени.
Ресурс метчиков различного типа с таким покрытием был определен в условиях реального производственного процесса на Уральском заводе транспортного машиностроения (ОАО «Уралтрансмаш») при нарезании резьбы в отверстиях деталей (материал - сталь 38ХС (ГОСТ 4543-51) метчиками диаметром 6 мм на радиально-сверлильном станке 2А554.
Стойкость метчика с заявляемым двухслойным покрытием из твердого алмазоподобного углерода оказалась в 2 раза больше по сравнению с метчиком с однослойным покрытием и более, чем в 5 раз выше, чем стойкость метчика без покрытия.
Таким образом, изложенные выше сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:
- метчик с двухслойным твердым износостойким покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода может быть использован в области металлообработки;
- наличие двухслойного описанного выше покрытия обеспечивает повышение рабочего ресурса метчика