СПОСОБ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОГО ОСАЖДЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА РЕЖУЩУЮ ПЛАСТИНУ ИЗ ТВЕРДОСПЛАВНОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF VACUUM PLASMA DEPOSITION OF COATING ON HARD-ALLOY

Изобретение относится к обработке резанием в машиностроении, в частности к металлорежущему инструменту, который содержит режущую пластину.
Известны различные марки твердых сплавов для изготовления режущих пластин (Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. - М: Металлургия, 1976, 528 с).
Технология изготовления твердосплавной режущей пластины состоит в следующем. Смесь порошков их карбидов вольфрама 96-85% по массе размером 0,5-3 мкм с кобальтом 6-15% по массе подвергают прессованию в виде режущих пластин различной формы (треугольной, пятигранной, шестигранной, ромбической), а затем спекают в печи в среде водорода или в вакуумной печи при температуре 1350-1480 C. После спекания пластины подвергают алмазной обработке.
Недостатком таких режущих пластин является их низкая износостойкость при высоких скоростях резания. В процессе резания кобальт быстро изнашивается, зерна карбидов обнажаются и вырываются силами трения с обрабатываемым материалом, что приводит к быстрому износу режущих кромок.
Известен способ изготовления режущей пластины путем осаждения покрытия нитридов титана (Верещака А.С., Работоспособность инструмента с износостойким покрытием. М: Машиностроение, 1993. - 336 с.). Такой способ изготовления режущей пластины позволяет повысить ее износостойкость до 2 раз при обработке конструкционных сталей. Известен способ изготовления режущих пластин с износостойким покрытием из нитрида титана методом магнитно-импульсной обработки (Булатов В.П., Козырев Ю.П., Кузнецов В.Г. и др. Влияние магнитно-импульсной обработки на триботехнические свойства плазменного покрытия из нитрида титана // Трение и износ, т.21, №6, 2000, с. Способ реализуется при изготовлении режущих пластин с покрытием из нитрида титана (TiN) с магнитно-импульсной обработкой с напряженностью магнитного поля H=10 А/м в одностороннем индукторе в течение 5-10 мин. Достигается повышение износостойкости в 1.5-2 раза при обработке конструкционных сталей по сравнению с режущей пластиной без магнитно-импульсной обработки.
Однако при резании заготовок из закаленных сталей и чугунов эффект оказался незначительным. Это связано с тем, что однослойное покрытие имеет высокие внутренние напряжения и большое количество капельной фазы, поэтому эффект от магнитно-импульсной обработки менее значителен.
В качестве прототипа принят способ вакуумно-плазменного осаждения покрытия на режущую пластину из твердосплавного материала, включающий осаждение первого слоя покрытия из тугоплавкого соединения и магнитно-импульсную обработку (патент РФ №2101382, C23C 8/36, опубл. 10.01.1988).
Однако известный способ не обеспечивает достаточного сцепления покрытия с режущей пластиной и трещиностойкости покрытия, особенно при резании заготовок из закаленных сталей и чугуна, т.к. имеется только один слой покрытия, не наноструктурный.
Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.
Ставится задача повышения износостойкости режущих пластин при резании заготовок из закаленных сталей и чугуна.
Технический результат - повышение степени сцепления покрытия с режущей пластиной и трещиностойкости.
Этот технический результат достигается тем, что в способе вакуумно-плазменного осаждения покрытия на режущую пластину из твердосплавного материала, включающем осаждение первого слоя покрытия из тугоплавкого соединения и магнитно-импульсную обработку, после осаждения первого слоя покрытия наносят второй слой покрытия из тугоплавкого соединения с размером зерен 40-60 нм, а упомянутую магнитно-импульсную обработку осуществляют в течение 15-20 минут после нанесения второго слоя покрытия.
Повышение работоспособности режущих пластин связано со снятием внутренних напряжений на межзеренных границах, что повышает сцепление покрытия с режущей пластиной, уменьшается вероятность отрыва частиц покрытия. Двухслойное покрытие содержит в верхнем слое наноразмерные частицы, а капельная фаза отсутствует.
Способ осуществляют следующим путем.
На твердосплавную режущую пластину осаждают вакуумно-плазменным методом (конденсация с ионной бомбардировкой - КИБ) двухслойное покрытие из тугоплавкого соединения толщиной 3 мкм с размером зерен 0,3-0,8 мкм и второй слой из тугоплавкого соединения толщиной 2 мкм и размером зерен 40-60 нм. Затем пластины устанавливают в державку, помещают в односторонний индуктор и подвергают магнитно-импульсной обработке с напряженностью магнитного поля H=10 А/м в течение 15-20 минут. Затем осуществляют процесс резания.
Пример осуществления способа.
На твердосплавную режущую пластину из сплава ВК8 осаждали вакуумно-плазменным методом (конденсация с ионной бомбардировкой - КИБ) двухслойное покрытие TiN - первый (нижний) слой толщиной 3 мкм с размером зерен 0,3-0,8 мкм и (MO, Nb) N - второй (верхний) слой толщиной 2 мкм с размером зерен 40-60 нм. Затем пластины устанавливали в державку и помещали в односторонний индуктор, где подвергали магнитно-импульсной обработке с напряженностью магнитного поля H порядка 10 А/м в течение 15-20 минут. Затем осуществляли процесс резания.
В других примерах наносили первый (нижний) слой покрытия из соединения (Ti Al)N, а второй (верхний) из соединения (Mo, Cr, Nb)N. Все действия осуществляли, как в вышеприведенном примере.
Испытывали также пластины с однослойным покрытием из TiN.
Изготовленные пластины испытывали при резании заготовок из закаленной стали 45 HRC 35-45 при скоростях резания V=80-120 м/мин, глубине резания t=2 мм и подаче S=0,2 мм/об. и чугуна СЧ18-36.
По результатам испытаний было установлено, что оптимальным является размер зерен во втором (верхнем) слое 40-60 нм. Более мелкие и более крупные зерна вызывали снижение стойкости инструмента.
Уменьшение времени магнитно-импульсной обработки до 10 минут снижало режущие свойства пластины. Увеличение времени магнитно-импульсной обработки до 25 минут так же снижало режущие свойства пластин.
Результаты испытаний полученных предлагаемым способом пластин при резании заготовок приведены в таблице.
Аналогичные данные получены и при резании других материалов.
Вид режущей пластины
Время обработки резанием мин.
- Основа ВК8
Слой TiN (5 мкм)
8
10
14
10
8
8
8
- Основа ВК8
первый слой TiN
второй слой (Mo,Nb)N
23
23
23
27
32
20
20
Основа ВК8
первый слой (Ti, AL)N
второй слой (Mo, Cr, Nb)N
27
27
28
32
38
25
25
Время магнитно-Импульсной обработки, Мин.
0
5
10
15
20
25
30