РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ДВУХСЛОЙНЫМ ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ

Полезная модель относится к области металлообработки режущим инструментом.
Ужесточение требований к точности размеров обрабатываемых деталей и качеству их поверхности, использование при одновременном росте производительности процессов в промышленности материалов с повышенными физико-механическими свойствами делает актуальной проблему повышения стойкости режущего инструмента (далее РИ). Это может быть достигнуто не только использованием новых материалов для изготовления РИ, но и полезной модификацией поверхности рабочей части РИ, что может быть осуществлено нанесением на РИ покрытий, приводящих к повышению твердости рабочей части РИ и понижению коэффициентов трения относительно обрабатываемого материала.
С начала 80-х годов прошлого века для повышения стойкости РИ начали интенсивно использовать покрытия из нитрида титана (Ti-N) [Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993, с.252. Асанов Б.У., Макаров В.П. Нитридные покрытия, полученные вакуумно-дуговым осаждением, Вестник КРСУ №2, 2002 г.].
Однако, недостатки покрытия из нитрида титана, как-то:
- недостаточная твердость;
- слабая адгезия с инструментальной основой;
- высокие коэффициенты трения и т.д.,
во многих случаях препятствуют к достижению максимального результата повышения стойкости РИ.
Следующим шагом стало создание легированных нитридных покрытий.
Известен режущий инструмент [патент РФ №2250810] с покрытием из нитрида титана, содержащего кремний (Ti-Si)N толщиной порядка 5 микрон, наносимым дуговым распылением материала катодов, включающими элементы химического состава покрытия. Наличие кремния в нитриде титана при концентрации 0,67-1,33 мас.% способствует снижению напряжений в покрытии, повышению твердости до 30,1-32,6 ГПа и улучшению прочности сцепления покрытия с инструментальной основой.
Стойкость инструмента с покрытием (Ti-Si)N, по сравнению с инструментом с простым покрытием из нитрида титана (Ti-N) повышается в 1,5 раза для инструмента из быстрорежущей стали Р6М5К5.
Однако, высокие коэффициенты сухого трения (0,4-0,6) не позволяют добиться максимального эффекта повышения стойкости РИ с таким покрытием.
Известен режущий инструмент с износостойким покрытием (Ti-Al-Cr)N [патент РФ №2405060], получаемым ионно-плазменным напылением. Хром в это покрытие вводят в зависимости от концентрации титана и алюминия при превышении содержания алюминия выше 50%, что позволяет сохранить фазовый состав покрытия и, как следствие, увеличить его твердость, износостойкость и термическую стабильность, необходимые для операций в широком диапазоне скоростей сухого резания. Оптимальное количество хрома в этом покрытии должно быть в пределах от 1/7 до 1/5 от разности содержания (Al-Ti) при атомной концентрации титана больше 0,05 и отношении содержания титана к содержанию алюминия меньше единицы (Ti/A<l).
Существенным недостатком данного покрытия является сложность в получении оптимальной концентрации элементов в процессе напыления, в частности хрома. Высокие значения коэффициентов сухого трения (0,3-0,4), характерные для таких покрытий, значительно снижают эффективность работы РИ за счет налипания стружки, что приводит к ухудшению качества обрабатываемой поверхности.
В настоящее время разработаны износостойкие покрытия для РИ на основе нитрида титана, легированные двумя элементами. Эффективность таких покрытий существенно выше, по сравнению с одноэлементными. В таблице 1 приведены основные характеристики наиболее распространенных износостойких покрытий, используемых для упрочнения РИ [Д.Локтев, Е Ямашкин «Основные виды износостойких покрытий», Наноиндустрия, 2007, №5, с.24-30].
Таблица 1
Тип покрытия
TiAIN
TiAlCrYN
TiCN
TiN
DLC
MoS<sub>2</sub>
Твердость, ГПа
29-34
28-32
28-31
20-25
40-70
0,3-0,4
Толщина, мкм
1-5
1-5
1-5
1-6
1-2
1-10
Коэффициент сухого трения
0,3-0,4
0,3-0,4
0,3-0,4
0,4-0,6
0,02-0,1
0,05-0,1
Максимальная рабочая темп., Т° С
800
950
400
500
250-350
400
Как видно из таблицы твердые нитридные покрытия имеют высокие значения коэффициентов сухого трения, что существенно ограничивает эффективность их использования для увеличения износостойкости РИ. Невысокая термическая стойкость углеродного покрытия не позволяет использовать его в широком интервале скоростей обработки материалов.
Известен также РИ с износостойким углеродным покрытием на рабочей части, выполненным из твердого алмазоподобного углерода (АПП), толщина которого составляет 1-3 мкм [патент РФ №93716].
Нанесение такого покрытия твердостью 70-100 ГПа позволило осуществить упрочнение поверхности рабочей части РИ.
Однако, такие покрытия (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 сравнительно высоких, по сравнению с толщиной покрытия (~1 мкм) пирамидальных выступов на их поверхности. Этот рельеф, (шероховатость покрытия) обуславливает высокие до (0,3-0,4) значения начальных коэффициентов трения, вследствие чего увеличивается время приработки инструмента с таким покрытием.
Кроме того, существенным недостатком АПП являются невысокая температура термической устойчивости, а также большие внутренние напряжения, которые являются причиной снижения износостойкости из-за появления трещин в покрытии и его отслаивания от поверхности подложки. Эти особенности твердого алмазоподобного покрытия ограничивают ресурс работы режущего инструмента с таким покрытием.
Наиболее близким к заявляемому является РИ [патент РФ №107496] с двухслойным износостойким покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода, первый слой которого толщиной ~0,5 мкм, контактирующий с поверхностью инструмента, имеет твердость 70-100 ГПа, второй слой, расположенный поверх первого слоя, выполнен из твердого аморфного алмазоподобного углерода, с твердостью 30-50 ГПа, толщиной от 0,3 мкм до 0,5 мкм.
Эффект повышения стойкости РИ достигается путем модификации рабочей поверхности РИ нанесением на нее сверхтвердого покрытия из аморфного алмазоподобного углерода и дополнительного менее твердого слоя покрытия из аморфного алмазоподобного углерода, 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 твердой алмазоподобной углеродной пленки, получаемой разными методами осаждения, и тем самым снижение значения начальных коэффициентов трения позволяет существенно уменьшить время, необходимое для приработки инструмента с покрытием.
Основным недостатком такого покрытием является невысокая термическая стабильность, которая не позволяет использовать этот РИ при высоких скоростях резания. При температуре свыше 450°С в зоне обработки происходит графитизация износостойкой алмазоподобной пленки, приводящая к потере эффекта повышения износостойкости, что в свою очередь приводит к ограничению возможности обработки материалов при повышенных скоростях и сужает диапазон оптимальных режимов механической обработки материалов.
Кроме того, большие внутренние напряжения, присущие алмазоподобным покрытиям, являются причиной снижения износостойкости из-за появления трещин в покрытии и его отслаивания от поверхности подложки.
Эти особенности твердого алмазоподобного покрытия ограничивают ресурс работы режущего инструмента с таким покрытием.
В основу предлагаемой полезной модели положена задача повышения рабочего ресурса режущего инструмента.
-2
Поставленная задача решается тем, что в режущем инструменте с двухслойным износостойким покрытием на рабочей части, верхний слой которого выполнен из твердого аморфного алмазоподобного углерода, с твердостью 30-50 ГПа, толщиной 0,3-0,5 мкм, согласно полезной модели, нижний слой, покрытия, расположенный на поверхности рабочей части инструмента, выполнен в виде нитридного покрытия (Ti-Al-Si)N, при следующем содержании компонентов, ат.%: Ti 0,41-65,31, А1 47,11 -0,82, Si 7,82-1,16, N остальное, толщиной 1,0-1,5 мкм и твердостью 30-35 ГПа, получаемого дуговым распылением катода состава ат%: Ti 50, А1 40, Si 10 в атмосфере N при давлении Р~(6,5±0,2)10 Ра.
Выполнение нижнего слоя покрытия, расположенного на поверхности рабочей части инструмента, в виде нитридного покрытия (Ti-Al-Si)N, толщиной 1,0-1,5 мкм и твердостью 30-35 ГПа обеспечило при наличии верхнего слоя, выполненного из твердого аморфного алмазоподобного углерода, с твердостью 30-50 ГПа, толщиной 0,3-0,5 мкм, увеличение рабочего ресурса за счет высокой термической стабильности нитридного покрытия при высоких скоростях резания и износостойкости инструмента за счет низких коэффициентов трения верхнего слоя из твердого аморфного алмазоподобного углерода, напыленного на нижний слой покрытия.
Ресурс РИ с таким покрытием был определен в условиях реального производственного процесса на Уральском заводе транспортного машиностроения (ОАО «Уралтрансмаш») при обработке деталей из стали-40 В качестве режущего инструмента с заявляемым двухслойным износостойким покрытием были выбраны концевые фрезы (⌀=12 мм). Обработку проводили на станке ГФ2171 с ПУ при скорости вращения - 850 об/мин., и подачи - 150 мм/мин.
Стойкость фрез с заявляемым двухслойным покрытием из (Ti-Al-Si)N и из твердого аморфного алмазоподобного углерода оказалась в 2 раза больше по сравнению с однослойным (Ti-Al-Si)N покрытием и в 6-10 раз выше, чем стойкость фрез без покрытия при высоком качестве обрабатываемой поверхности всех деталей.
Стойкость РИ с заявляемым покрытием оказалась в полтора раза выше стойкости РИ с двухслойным алмазоподобным покрытием. В заявляемом РИ нитридное (Ti-Al-Si)N покрытие, обладающее более низкими значениями внутренних напряжений, является адгезионным подслоем для верхней углеродной пленки.
На всех обрабатываемых деталях (60 штук) заявляемым РИ (фрезой) достигается средняя шероховатость поверхности на уровне 40 мкм при фрезеровании одной фрезой за счет низких коэффициентов трения верхнего углеродного слоя.
При обработке деталей фрезами без покрытия такой уровень шероховатости возможен лишь при более низких режимах фрезерования 250 об/мин., подача - 25-40 мм/мин и при обработке одной фрезой существенно меньшего количества деталей 6-10 штук, вследствие большого износа режущих кромок фрезы, что ведет к понижению уровня шероховатости обрабатываемой поверхности.
Таким образом, изложенные выше сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:
- РИ с двухслойным твердым износостойким покрытием из (Ti-Al-Si)N и твердого аморфного алмазоподобного углерода может быть использован в области металлообработки;
- наличие двухслойного описанного выше покрытия способно обеспечить в несколько раз повышение рабочего ресурса РИ при больших скоростях резания с обеспечением высокого качества обрабатываемой поверхности.