Способ формирования на быстрорежущей стали покрытия системы титан - оксиды титана
METHOD FOR FORMING A COATING OF THE SYSTEM TITANIUM - TITANIUM OXIDES ON HIGH-SPEED STEEL

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к инструментальному производству и технологиям формирования высокотвердых и износостойких покрытий на инструментальных сталях.
В машиностроении широко применяется цельный инструмент или отдельные режущие элементы из твердых сплавов с износостойкими покрытиями [Андреев В.Н., Боровский Г.В., Боровский В.Г., Григорьев С.Н. Инструмент для высокопроизводительного и экологически чистого резания. Серия «Библиотека инструментальщика». - М: Машиностроение, 2010. 480 с.: ил; Панов, В.С. Технология, свойства и области применения спеченных твердых сплавов: учебное пособие / В.С. Панов, Ж.В. Еремеева. - Вологда: Инфра-Инженерия, 2021. - 148 с.]. Твердые сплавы в виду свойств применяемых карбидных материалов, а также технологии изготовления, характеризуются низким модулем упругости и при воздействии нагрузок ударного характера склонны к скалыванию и разрушению. Для производства инструментов также используют инструментальные стали, обладающие относительно твердых сплавов умеренной величиной модуля упругости. Соответственно, стальной инструмент может выдерживать высокие ударные нагрузки без значительного повреждения. Применение быстрорежущих инструментальных сталей эффективно для обработки материалов с невысокой и умеренной величиной твердости [Pinakhin I.A. Improving wear resistance of fast-cutting steel P6M5 after a volume pulse laser strength / I.A. Pinakhin, V.A. Chernigovskij, A.A. Bratsikhin, M.A. Yagmurov, Y.A. Vladykina // Journal of friction and wear. 2019. V. 40. №3. P. 239-243.; Bugakov V.I. Laptev A. I. "Manufacture of drill bits from new diamond materials at high pressures and temperatures / V.I. Bugakov, A.I. Laptev // Steel in Translation. 2017. V. 47. №1. P. 12-16.]. Применение титаносодержащих покрытий нитридного, карбонитридного, оксинитридного и оксидного составов позволяет расширить применение инструментальных сталей для обработки различных материалов. Термически более стабильными являются оксиды металлов при высоких значениях твердости. Известные методы формирования, отличаются малой производительностью.
Известен способ изготовления сменных режущих пластин, заключающийся в формировании на стальной основе твердосплавного покрытия методами детонационного напыления или порошковой наплавки. Согласно способу, детонационные карбидные слои из твердого сплава ВК12 толщиной 0,5-0,35 мм формируются за 2,5 секунды на всей рабочей поверхности режущей пластины, а при наплавке - за 30…60 секунд. Режущая способность таких пластин в 7 раз выше стандартной пластины ВК6 при износе по задней грани 0,5 мм [Способ изготовления сменных режущих пластин / М.В. Ненашев, В.В. Калашников, Д.А. Деморецкий, И.Д. Ибатуллин, И.В. Нечаев, А.Н. Журавлев, А.Ю. Мурзин, С.Ю. Ганигин, О.А. Кобякина, Д.Ю. Карякин, В.В. Усачев, Ю.Н. Сливкова. Опубл. 27.07.2015 г., бюл. №21.].
Основными недостатками способа являются: высокая энергоемкость процессов формирования покрытия; неоднородность структуры и низкая адгезия покрытия к стальной основе; большое количество дефектов по всему сечению покрытия.
Известен способ упрочнения поверхности с помощью формирования наноразмерных покрытий за счет воздействия лазерного излучения на легирующий сплав, нанесенный на поверхность изделия в виде порошков. Воздействие высокоэнергетического лазерного луча с шагом в 25 микрон обеспечивает расплавление поверхности и легирующего сплава, что обеспечивает вплавление легирующей части в основной материал. Затем поверхность охлаждают струей сжатого газа под небольшим избыточным давлением. В результате формируются наноструктурные интерметалидные слои. Последующая лазерная обработка с применением порошков тугоплавких материалов позволяет формировать слоистые карбидные, нитридные и другие системы с заданными значениями состава и свойств. Например, покрытия, сформированные на поверхности интерметалидного слоя лазерной наплавкой карбидных материалов, характеризуются твердостью до 80 ГПа [Патент РФ №2527511. Способ упрочнения металлических изделий с получением наноструктурированных поверхностных слоев / Я.А. Четокин, Д.В. Пугашкин. Опубл. 10.09.2014 г., бюл. №25.].
Основными недостатками способа являются: не высокая производительность; технологическая сложность; высокие значения параметров шероховатости формируемого слоя; сложность получения однородного химического состава, высокая вероятность наличия дефектов в приповерхностном слое.
Известен способ получения износостойкого покрытия на поверхности стальных деталей, который заключается в получении на поверхности стальных деталей высокотвердых интерметаллидных слоев [Патент РФ №2202456. Способ получения износостойкого покрытия на поверхности стальных деталей / С.В. Крашенинников, С.В. Кузьмин, В.И. Лысак, Ю.Г. Долгий. Опубл. 20.04.2003 г., бюл. №11]. Слои формируют на стальной основе сваркой взрывом, при этом первым на поверхность стальной детали наносят слой меди, затем - слой титана, соотношение толщин слоев меди и титана составляет (0,5-1,5):1, соответственно, а суммарная их толщина равна требуемой толщине износостойкого слоя. После сварки проводится термическая обработка в инертной среде при 885-1080°С и выдержке 1-4 ч. В результате на поверхности стальных деталей формируются интерметаллидные слои, характеризуемые толщиной 0,5-2,5 мм и микротвердостью 800-1200 HV.
Недостатком данного способа является высокая трудоемкость процесса в виду использования последовательного нанесения слоев металлов и длительной высокотемпературной выдержки в среде инертных газов. Также получаемые интерметаллидные фазы на рабочей поверхности обладают низкой прочностью, пониженной устойчивостью к динамическим нагрузкам, возникающим при резании металлов.
Технической проблемой является необходимость создания технологически простого, высокопроизводительного, ресурсосберегающего и безопасного способа формирования на быстрорежущих сталях слоистой системы «сталь – титан - оксиды титана», позволяющей повысить износостойкость инструмента.
2
Поставленная проблема решается тем что, пластина титана соединяется со стальной основой методом контактной сварки при усилии сжатия 570-630 Н, напряжении 2,3-2,7 В, плотности тока 63-126 А/мм, диаметре электродов 5 мм, времени импульса 0,1-0,4 с, затем проводится индукционно-термическая обработка, а именно, стальная основа с титановым слоем нагревается в воздушной атмосфере при нормальном давлении, частоте тока на индукторе 80±10 кГц и удельной потребляемой электрической мощности 80-90 кВт/кг до температуры 1190-1250°С, затем осуществляется выдержка в течение 180-300 с и охлаждение на воздухе до комнатной температуры.
Техническим результатом является формирование на изделиях из инструментальной стали, например Р6М5, слоистой системы «титан - оксиды титана», характеризуемой наличием на поверхности металооксидного диффузионного слоя, толщиной 150±20 мкм, твердостью 1500-1800 HV и адгезионной прочностью на сдвиг 100±10 МПа.
Изобретение поясняется графическими схемами, на которых представлены: схема изделия - инструментальной сменной режущей пластины с титановыми вставками, закрепленными посредством контактной сварки (фиг. 1); схема процесса термической обработки сменной режущей пластины из инструментальной стали Р6М5 с локальными титановыми слоями (фиг. 2).
На Фиг. 2 позициями 1-4 обозначены:
1 - титановое изделие с титановым покрытием;
2 - керамическая камера;
3 - керамическое основание;
4 - водоохлаждаемый индуктор.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
2
На поверхности стального изделий в областях где необходимо сформировать высокопрочное покрытие размещаются титановые листы толщиной до 1 мм, которые фиксируются на основе контактной сваркой (фиг. 1) при усилии сжатия 570-630 Н, напряжении 2,3-2,7 В, плотности тока 63-126 А/мм, времени импульса 0,1-0,4 с. После сварки производится размерная обработка изделия и титанового слоя, в результате которой титановый слой приобретает толщину не более 0,5 мм. Затем изделие из стали с покрытием из титанового альфа-сплава 1, после предварительной очистки от различных загрязнений, устанавливают в цилиндрическую кварцевую реакционную камеру оксидирования 2 с керамическим подом 3, за пределами которой находиться индукционный нагреватель 4, соединенный с установкой индукционного нагрева (фиг. 2). Последующая термическая обработка проводится индукционным нагревом при частоте тока на индукторе 80±10 кГц и удельной потребляемой электрической мощности 80-90 кВт/кг до температуры 1190-1250°С, затем осуществляется выдержка в течение 180-300 с и охлаждение на воздухе до комнатной температуры.
Приведенные значения технологических режимов определены экспериментально и позволяют сформировать на стальной основе высокопрочную слоистую систему «титан - оксиды титана».
Давление, создаваемое электродами в 600±30 Н, обусловлена тем, что при величине менее 570 Н нарушается плотность контакта в зоне образования сварного соединения. Вследствие этого в оплавленную область обильно поступает воздух из окружающей среды, который вызывает окисление и образование дефектов соединения. При давлении более 630 Н во время оплавления свариваемых металлов более пластичный титановый лист деформируется на глубину более 0.4 мм и изделие не пригодно к дальнейшему использованию.
Напряжение при контактной сварке в 2,3-2,7 В обусловлено особенностью оборудования, так как большинство аппаратов контактной сварки характеризуются низким уровнем рабочего напряжения. При подаче тока на контактные электроды плотностью менее 63 А/мм не образуется качественного сварного соединения. Плотность тока свыше 126 А/мм приводит к локальном перегреву и вскипанию области сварки, что приводит к образованию пор в соединении и выплескам металла из области нагрева.
Процесс сварки происходит при действии импульса не менее 0,1 с так как при меньшем времени импульса недостаточно для полного прогрева и образования сварного соединения. Время импульса более 0,4 с приводит к полному прогреву титанового покрытия и частично стальной основы, после чего происходит температурная деформация, приводящая к полному искажению геометрии изделия.
Термическая обработка проводится за счет использования индукционного нагрева, при котором основными режимами является частота тока, удельная мощность и длительность обработки.
При частоте тока менее 70 кГц снижается электрический коэффициент полезного действия устройства индукционного нагрева и самого процесса обработки изделий данного типа. При подаче на индуктор тока частотой более 90 кГц наблюдается снижение коэффициента мощности.
Предельные значения потребляемой удельной электрической мощности (80-90 кВт/кг) обусловлены тем, что при величине удельной электрической мощности менее 80 кВт/кг затруднен ускоренный нагрев стального изделия из-за потерь на излучение и конвекцию. При величине удельной электрической мощности более 90 кВт/кг увеличивается вероятность перегрева, и как следствие, температурной деформации изделия.
При значениях температуры нагрева менее 1190°С и продолжительности процесса оксидирования менее 180 с. образуется тонкое оксидное покрытие, характеризуемое низкими значениями твердости. При значениях температуры нагрева более 1250°С и продолжительности термообработки более 300 с. на поверхности титана образуются оксидные покрытия с невысокими показателями твердости и адгезионно-когезионной прочности. Происходит также растрескивание и отслоение толстого оксидного слоя.
Указанные режимы индукционно-термической обработки поддерживают осуществление процесса диффузии кислорода из воздушной среды в поверхность титана, в результате которой обеспечивается стабилизация кислородно-насыщенной структуры альфа-титана, обладающей высокой твердостью от 1500-1800 HV при нагрузке индентирования 50 гс.
Пример выполнения способа.
Сменная многогранная пластина без стружколомающего рельефа (тип SDGA100402 - NR1T по стандарту ISO 1832) со сторонами 14 мм, толщиной 3,8 мм и центральным отверстием 4,6 предварительно очищается от технологических загрязнений. На поверхности стальной основы контактной сваркой фиксируются титановые листы в виде дисков диаметром 6 мм и толщиной 1 мм (фиг. 1). Процесс сварки производится при усилии сжатия 570-630 Н, напряжении 2,3-2,7 В, плотности тока 63-126 А/мм, времени импульса 0,1-0,4 с. Затем пластины с покрытием подвергались шлифовке до размера сторон 9,5 мм и суммарной высоты 4,3 мм. После очистки от технологических загрязнений пластина размещается в рабочей области индуктора на керамическом основании (фиг. 2) для последующей термической обработки. Нагрев до температуры 1190-1250°С производится при частоте тока 80±10 кГц и удельной потребляемой электрической мощности 80-90 кВт/кг, затем осуществляется выдержка в течение 180-300 с и охлаждение на воздухе до комнатной температуры. Готовое изделие представляет собой сменную многогранную пластину с покрытием системы «титан - оксиды титана».
Контроль адгезионной прочности и твердости системы «сталь – титан - оксид титана» проводился экспериментальными методами. Образцами являлись пластины, изготовленные согласно способу, описанному в примере. Исследование прочности проводилось методом разрушающего контроля сварных соединения согласно ГОСТР ИСО 15614-13-2009, п. 7.3.1. испытания на растяжение в разрывной установке с программным управлением «ИМПУЛЬС ИР5282-100». Скорость растяжения была выбрана равной 10 мм/с. При растяжении фиксировалось максимальное напряжение, которое составило 100±10 МПа.
Исследование твердости проводилось путем измерения твердости поверхности методом Виккерса HV при нагрузке на индентор (четырехгранную алмазную пирамиду) равной 50 гс (ГОСТ 9450-76). Твердость титановой поверхности составила 1500-1800 HV.
C
Пластины подвергались эксплуатационным испытаниям при проточке прутков из стали 45. Резцы устанавливались в резцедержателе на токарном станке. Обработка проводилась при скорости резания V=34,5 м/мин, глубине резания 0,5 мм и подаче 0,3 мм/об. Согласно полученным результатам испытания, изготовленные сменные многогранные пластины по эксплуатационным характеристикам не уступают пластинам с интерметаллидным покрытием при значительной меньшей себестоимости изготовления.
Из полученных результатов следует, что предложенный способ позволяет формировать энергоэфективным методом высокотвердые покрытия «титан - оксид титана» на стальной основе из марки Р6М5. Данная технология может быть использована в инструментальной области, а именно в производстве металлорежущих инструментов.