СПОСОБ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА, ИЗГОТОВЛЕННОГО ИЗ ПОРОШКОВОЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ
PROCEDURE FOR ION-PLASMA TREATMENT OF SURFACE OF METAL CUTTING TOOL MADE OUT OF HIGH SPEED POWDER STEEL

Изобретение относится к способам упрочнения поверхности изделий комплексным ионно-плазменным методом и может быть использовано при изготовлении металлорежущего инструмента и других изделий, обладающих высокой твердостью и износостойкостью.
Известен способ упрочнения режущего инструмента за счет нанесения однослойного сложнолегированного покрытия ионно-плазменным методом в реактивной среде (RU №2022058, С23С 14/32, публ. 1994 г.), при котором на изделие подают отрицательный потенциал, который в процессе нанесения покрытия изменяют от величины, соответствующей порогу избирательного ионного распыления компонентов расходуемого материала, которые будут составлять покрытие этого изделия, до величины, соответствующей энергии инверсии компонента расходуемого материала с минимальным коэффициентом ионного распыления.
Недостатком данного способа является отсутствие комплексной обработки поверхности, что, как показывает производственный опыт, может снизить эффект упрочнения инструмента. Негативное влияние оказывает высокий градиент напряжений, существующий между покрытием и инструментальной основой, что является одной из основных причин разрушения покрытия, его отслаивания.
Известен способ упрочнения рабочих поверхностей режущих инструментов (RU №2026419, C23C 14/38, публ. 1995 г.), по которому инструмент из быстрорежущих сталей подвергают последовательно: ионному азотированию основы инструмента, очистке, нагреву основы в аргоновой плазме тлеющего разряда, осаждению ионно-плазменных покрытий, состоящих из нитридов металлов, с дополнительной обработкой основы до и после азотирования в плазме тлеющего разряда.
Основным недостатком данного способа комбинированного упрочнения инструмента является разрозненность процессов азотирования и нанесения покрытия, препятствующая проведению единого технологического цикла, который позволяет существенно снизить вероятность образования окислов на поверхности инструмента после азотирования, ухудшающих качество сцепления покрытия с инструментальной основой.
Также известен способ ХТО (химико-термической обработки) режущего инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали («Ионная химико-термическая обработка сплавов». Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, Москва, 1999 г., стр.270-290), при котором универсальными методами поверхностного упрочнения быстрорежущих сталей являются карбонитрация, ионное азотирование и вакуумно-плазменное нанесение износостойких покрытий. Приведены данные по проведению процесса азотирования, по которому азотирование инструмента из быстрорежущей стали проводят при температурах 480-520°С в течение 30-60 минут, при этом твердость сердцевины остается неизменной. Поверхностное упрочнение быстрорежущих сталей посредством вакуумно-плазменного нанесения износостойких покрытий проводят после ионной очистки.
Основным недостатком приведенных ХТО быстрорежущих сталей является то, что не рассматривается возможность упрочнения инструментов из быстрорежущих порошковых сталей. Такие стали имеют однородную структуру, значительно прочнее и лучше шлифуются по сравнению со сталями того же химического состава, изготовленными по обычной технологии. Традиционные быстрорежущие стали имеют в основном крупное карбидное зерно, что уменьшает пластичность стали, способствует быстрому износу инструмента. Минимальный размер карбидов порошковых сталей (0,1-0,3 мкм), а также их равномерное распределение по всей структуре позволяет значительно увеличить износостойкость инструмента.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ ионно-плазменной обработки стальной поверхности режущего инструмента (RU №2241782, С23С 14/48, публ. 2004 г.), включающий предварительную ионную очистку поверхности в нагретом состоянии, дальнейшую обработку в атмосфере азота или азотсодержащего газа при повышенной температуре в тлеющем разряде и подачу отрицательного напряжения на обрабатываемую деталь.
2
Основным недостатком данного способа является температурный режим при азотировании инструмента. По предлагаемому способу температуру нагрева инструмента при азотировании выдерживали в пределах 250-350°С. Однако как показали проведенные исследования, такой диапазон температур не позволяет существенно повысить микротвердость инструмента, изготовленного из порошковой высоколегированной быстрорежущей стали из-за ее плохой азотируемости. Даже при более высоких температурах азотирования (до 450°С) не наблюдалось заметного упрочняющего эффекта: прирост микротвердости не превышал 60-85 кгс/мм, общая глубина азотирования составляла менее 30 мкм. Это связано с повышенным содержанием вольфрама и кобальта, которые задерживают диффузию азота в твердом растворе.
Техническим результатом данного изобретения является повышение твердости и износостойкости режущего инструмента.
Технический результат достигается за счет того, что в способе ионно-плазменной обработки поверхности металлорежущего инструмента, изготовленного из порошковой быстрорежущей стали, включающем очистку, нагрев поверхности инструмента до температуры насыщения порошковой быстрорежущей стали, ионное азотирование в атмосфере азота или в азотсодержащем газе и нанесение сложнолегированного покрытия из нитридов тугоплавких металлов, согласно изобретению очистку проводят с прогревом поверхности инструмента до 220-260°С, нагрев поверхности инструмента до температуры насыщения порошковой быстрорежущей стали проводят таким образом, чтобы она не превышала температуру отпуска стали, после азотирования проводят ионное травление в течение 5-7 минут, а ионно-плазменное упрочнение инструмента проводят в едином технологическом цикле.
Комбинированная обработка режущего инструмента сочетает в себе термическое и химическое воздействие на режущие поверхности инструмента с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя.
Ионно-плазменную обработку поверхности инструмента проводят с использованием двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, представляющего собой разряд, в котором положительный столб дуги разделен на две ступени, первая из которых представляет собой вакуумную дугу с холодным катодом, а вторая ступень - положительный столб дугового разряда в плазме рабочего газа низкого давления. Ионно-плазменная обработка инструмента с использованием двухступенчатого вакуумно-дугового разряда состоит из:
а) очистки поверхности газовым ионным травлением в атмосфере аргона с целью удаления с поверхности окислов, что позволяет ускорить процесс насыщения поверхности азотом и снизить время азотирования инструмента при повышенной температуре. Процесс ведут в течение 20 минут, прогревая поверхность инструмента до температуры 220-260°С, что необходимо для очистки больших площадей загрязнений без инициирования микродуговых привязок, при давлении газа аргона в камере 0,1 Па и значении тока на испарителе 70 А, что обусловлено материалом катода - сплав ниобий-титан-алюминий. Выбор значения величины ионного тока объясняется тем, что стабильное горение дуги газового разряда находится в области давления рабочего газа, равного 0,1-0,5 Па.
Очистка и прогрев осуществляются бомбардировкой ионами металла путем создания потоков высокоионизированной плазмы испаряемого материала. После предварительной обработки дополнительно идет прогрев поверхности инструмента до температуры 450-480°С;
б) ионно-плазменного азотирования, при котором создаются наиболее благоприятные условия для интенсивной диффузии азота в поверхностные слои. Управляя составом газовой атмосферы при азотировании путем разбавления азота инертным газом - аргоном, можно регулировать структуру и свойства азотированного слоя. Ионное азотирование инструментов имеет ряд особенностей, отличных от ионного азотирования деталей машин. При разработке технологических процессов в этом случае необходимо учитывать не только материал инструмента, но и материал, обрабатываемый этим инструментом. Ионное азотирование проводили в газовой смеси азота и аргона в течение 0,5-1 ч в интервале температур 450-510°С. Азотирование при температуре выше 510°С приводит к интенсивному разупрочнению сердцевины материала, поэтому насыщение при этой температуре проводить не рекомендуется. Температуру насыщения порошковой быстрорежущей стали выбирают таким образом, чтобы она не превышала температуру отпуска этой стали. При низкой температуре (ниже 450°С) увеличение продолжительности азотирования свыше 1 ч практически не приводит к заметному росту диффузионной зоны. Формирующееся при азотировании диффузионное покрытие, состоящее из поверхностной нитридной зоны и зоны внутреннего азотирования, обеспечивает широкий диапазон физико-механических характеристик азотированного инструмента. В таблице 1 приведены данные влияния режима азотирования на свойства азотированного слоя стали Р12МЗК5Ф2-МП (время азотирования 1 ч, давление газа 0,1 Па):
Таблица 1
Режим азотирования
Толщина азотированного слоя
Максимальная твердость, Н<sub>50</sub>, кгс/мм<sup>2</sup>
Температура, °С
Концентрация азота в смеси, с
Эффективная, h<sub>э</sub> (Н<sub>50</sub>=1100 кгс/мм<sup>2</sup>)
Общая, Н<sub>о</sub>, мкм
450
20
-
20-25
<1070
40
-
25-30
<1070
480
20
18
70-80
1297
40
32
80-100
1300
60
27
70-80
1266
80
24
60-70
1328
510
20
14
190-200
1100
40
22
190-200
1219
60
25
100-120
1272
Из приведенной таблицы видно, что азотирование при температуре 480°С в газовой смеси азота (30%) и аргона (остальное) позволяет обеспечить более высокую максимальную микротвердость азотированного слоя. С повышением температуры азотирования с 480 до 510°С эффективная толщина азотированного слоя уменьшается, а общая увеличивается;
в) дополнительного этапа кратковременного, в течение 5-7 минут, ионного травления в атмосфере аргона, связанного с необходимостью очистки поверхности инструмента перед нанесением покрытия после азотирования для того, чтобы избежать ухудшения адгезии в связи с возможным образованием тонких нитридных слоев;
г) нанесения износостойкого покрытия на основе нитридов тугоплавких металлов (сложнолегированные композиционные покрытия (Ti, Cr) N и (Nb, Ti, Al) N). Для нанесения износостойкого покрытия (Ti, Cr) N использовали катоды состава Ti+25% Cr. Для получения покрытия (Nb, Ti, Al) N использовали катоды состава - Nb - 40%, Ti - 40%, Al - 10%, легирующие добавки - Cr, Mo, Zr - остальное, до 100%. В таблице 2 приведены оптимальные параметры процесса нанесения и свойства получаемых покрытий.
Таблица 2
Покрытые (Ti, Cr)N
Параметры процесса
Характеристики покрытия
Ток дуги
Опорное напряжение
Давление азота P<sub>N2</sub>
Продолжительность процесса
Микротвердость <img file="00000001.tif" he="5" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /> кгс/мм<sup>2</sup>
Шероховатость Ra, мкм
60
220
0.35
60
2450
0.76-0.83
Покрытие (Nb, Ti, Al) N
Параметры процесса
Характеристики покрытия
Ток дуги
Опорное напряжение
Давление азота P<sub>N2</sub>
Продолжительность процесса
Микротвердость <img file="00000001.tif" he="5" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /> кгс/мм<sup>2</sup>
Шероховатость Ra, мкм
80
210
0.45
60
2650
0.68-0.75
2
На основании проведенных сравнительных исследований покрытий наилучшие характеристики показало покрытие (Nb, Ti, Al) N (микротвердость составила 2650 кгс/мм, шероховатость Ra=0,68-0,75 (таблица 2). При проведении исследований на адгезию (Ti, Cr) N и (Nb, Ti, Al) N наихудшие результаты по адгезии имели образцы с большей капельной фазой.
Пример осуществления способа
Ионно-плазменную обработку поверхности инструмента, например протяжек, изготовленного из порошковой быстрорежущей стали, такой как Р12МЗК5Ф2-МП, проводили на установке "Станкин-АПП-2", в которой двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд реализуется на базе трех дуговых испарителей, трех дополнительных анодов и перемещаемой заслонки с пневмоприводом, входящих в состав установки. Заслонка выполнена таким образом, что при возникновении дугового разряда ионы, атомы и микрокапли металла не проникают в рабочий объем камеры, а проникают только электроны. Электроны, перемещаясь к дополнительному аноду, находящемуся напротив закрытых испарителей под действием электрического поля, ионизируют газ в рабочем пространстве камеры. При подключении источника напряжения смещения к изделию ионы газа ускоряются за счет разности потенциалов между корпусом камеры и изделием. Задавая напряжение смещения в различных диапазонах можно соответственно регулировать энергию ионов газа, которыми идет обработка поверхности изделия. Интенсивность воздействия на поверхность газовой плазмы характеризуется величиной ионного тока.
Оптимальным режимом комплексного упрочнения протяжного инструмента из высоколегированной порошковой быстрорежущей стали Р12МЗК5Ф2-МП на установке "Станкин-АПП-2" для обработки изделий из жаропрочных никелевых сплавов типа ЭП741НП является:
аргона
катода
а) ионная очистка аргоном при давлении Р=0,1 Па и прогрев до температуры 220°С в режиме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда (ДВДР) при значении тока на катоде I=70 А;
азота
катода
б) прогрев до температуры 480°С при давлении Р=0,1 Па и токе катода I=70 А;
смеси
катода
в) ионное азотирование в режиме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда в смеси газов аргон/азот в соотношении (70/30)% в течение 30 минут при давлении Р=0,3 Па и I=80 А, температура азотирования 480°С;
аргона
катода
г) ионная очистка аргоном в режиме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда в течение 5-7 мин при давлении Р=0,1 Па и I=70 А;
д) нанесение покрытия (Nb, Ti, Al) N в атмосфере чистого азота в течение 60 мин при давлении газа 0,45 Па, токе дуги катода 80 А. При нанесении покрытия использовали катод состава - Nb - 40%, Ti - 40%, Al - 10%, легирующие добавки - Сr, Мо, Zr - остальное, до 100%.
Протягивание изделий из жаропрочных сталей, таких как ЭП609Ш, комплектом протяжек из порошковой быстрорежущей стали Р12МЗК5Ф2-МП с покрытием (Nb, Ti, Al) N показало, что инструмент с износостойким покрытием может эксплуатироваться на повышенных скоростях резания (упрочнение протяжного инструмента за счет нанесения износостойкого покрытия позволяет увеличить скорость резания более чем в 3 раза по сравнению с исходным инструментом без покрытия).
2
При протягивании изделий из жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП установлено, что протяжной инструмент с комплексной обработкой, включающей азотирование в смеси газов Ar/N в соотношении (70/30)% и последующее нанесение износостойкого покрытия (Nb, Ti, Al) N, эффективно сдерживает развитие износа по задней поверхности, продлевая срок эксплуатации инструмента.
Аттестация качества получаемых покрытий проводилась по следующим критериям: по внешнему виду, по показателям микротвердости, толщине покрытия, шероховатости покрытия, хрупкости покрытия, адгезии покрытия к основе.