РЕЖУЩАЯ ПЛАСТИНА

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности, к металлообработке, а именно к металлорежущему инструменту, который содержит режущую пластину из спеченного твердого сплава с износостойким покрытием.
Известны режущие пластины с многослойными покрытиями из тугоплавких соединений (Верещака А.С. Работоспособность инструмента с износостойким покрытием. М.: Машиностроение, 1993. - 336 с.), в частности двухслойное покрытие TiC+Ti(CN), т.е. из карбидов титана и карбонитридов титана, а также износостойкое покрытие, содержащее два слоя: верхний - из карбонитрида титана TiCN, а нижний - из нитрида титана TiN. Такие покрытия позволяют повысить работоспособность режущей пластины до 2…3 раз при обработке конструкционных сталей, чугунов и некоторых труднообрабатываемых материалов. Такие покрытия наносят осаждением из газовой фазы толщиной 5…8 мкм. Считается, что недостатком такого метода осаждения износостойкого покрытия является образование между подложкой и нижним слоем покрытия из TiC хрупкой h-фазы, что способствует отслаиванию покрытия и снижению износостойкости режущих пластин.
Известен режущий инструмент (патент РФ на полезную модель №97084, В27G 15/00, С23С 14/32, опубл. 27.08.2010), содержащий инструментальную основу и нанесенное на нее трехслойное износостойкое ионоплазменное покрытие, в качестве нижнего слоя которого используют нитрид или карбонитрид соединения титана, хрома и циркония при их соотношении масс.%: титан 78-86,0, хром 4,0-6,0, цирконий 12,0-16,0; в качестве промежуточного - нитрид или карбонитрид соединения титана, хрома и циркония при их соотношении масс.%: титан 73,0-81,0, хром 9,0-11,0, цирконий 12,0-16,0; в качестве верхнего - нитрид или карбонитрид соединения титана и хрома при их соотношении масс.%: титан 91,5-93,5, хром 6,5-8,5.
Однако выполнение такого покрытия трудоемко и едва ли осуществимо практически.
В качестве прототипа принята режущая пластина, содержащая инструментальную основу из твердого сплава и нанесенное на нее покрытие, включающее слои: карбида титана, карбонитрида титана, мягкий слой хрома и верхний слой из наноструктурного нитрида титана (сб. Нанотехнологии функциональных материалов. Труды международной научно-технической конференции А.О.Волховскиий, И.В.Блинков, В.Н.Аникин, В.И.Бузанов, В.С.Челноков. Влияние наноструктурного финишного слоя TiN в комбинированных PVD/CVD/PVD покрытиях на свойства режущего твердосплавного инструмента, с.343-357).
Расположение слоев покрытия следующее: нижний слой - хром, затем карбид титана, карбонитрид титана, и верхний (финишный слой) - из наноструктурного нитрида титана.
Данная режущая пластина позволяет повысить износостойкость в 1,5…2 раза по сравнению с режущей пластиной с покрытием карбид титана-карбонитрид титана.
Этот результат связан как с отсутствием хрупкой h-фазы, так и с формированием верхнего слоя из наноструктурного слоя нитрида титана, в котором размер кристаллитов (зерен) составляет порядка 30…50 нанометров. Однако недостатком такого вида режущей пластины является низкий прирост износостойкости. Это связано с тем, что, как показало наше исследование, разрушение покрытия путем его растрескивания начинается с верхних слоев и трещины прорастают в подложку, т.е. влияние h-фазы не существенно. При этом образуется сетка микротрещин, а отрыв частиц покрытия происходит из-за адгезии с обрабатываемым металлом. При отрыве частиц покрытия обнажается основа (подложка) из твердого сплава. Поэтому необходимо повышать, прежде всего, трещиностойкость верхних слоев слоистого покрытия режущей пластины, которые растрескиваются с самого начала резания.
Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.
Решаемая задача - совершенствование режущих пластин с покрытием.
Технический результат - повышение износостойкости режущих пластин.
Этот технический результат достигается тем, что в режущей пластине, содержащей основу из твердого сплава и нанесенное на нее покрытие, включающее слои: карбида титана, карбонитрида титана, мягкий слой хрома и верхний слой из наноструктурного нитрида титана, мягкий слой хрома расположен между верхним слоем из наноструктурного нитрида титана и слоем из карбонитрида титана.
Повышение трещиностойкости верхнего наружного наноструктурного слоя достигается путем предварительного осаждения слоя из чистого хрома на слой из карбонитрида титана, при этом мягкий слой как залечивает его поверхностные дефекты, так и тормозит распространение трещин из верхнего слоя наноструктурного нитрида титана в основу, что повышает его трещиностойкость, а следовательно, и износостойкость режущей пластины за счет уменьшения отрыва частиц покрытия. Данный эффект особенно является значительным при прерывистом резании и обработке на высоких скоростях резания.
Предлагаемая режущая пластина приведена на чертеже.
Она содержит основу 1 из твердого сплава, на которую нанесены слой 2 из карбида титана, слой 3 из карбонитрида титана, слой 4 из хрома и слой 5 из наноструктурного нитрида титана.
Пример реализации режущей пластины.
3
Изготавливали режущие пластины, где на основу (подложку) из твердого сплава ТТ10К8Б методом CVD (газофазным) осаждали слоистые покрытия карбида титана и карбонитрида титана по 2 мкм, а затем методом КИБ (ионной бомбардировки) осаждали мягкий слой из хрома толщиной 1 мкм и испаряли катод из титана в среде азота, получали покрытие - наноструктурный слой из нитрида титана толщиной 1 мкм с размером зерен порядка 30…50 нанометров. Осуществляли прерывистое точение закаленной стали 40Х, режим резания: скорость резания V=90 м/мин, глубина резания t=2 мм, подача - S=0,21 мм/об. Определяли Т-время резания при достижении износа режущей пластины по задней поверхности h=0,4 мм. Испытаниям подвергали предлагаемые четырехгранные режущие пластины и режущие пластины по прототипу. Результаты испытаний приведены в таблице.
Вид пластин
Предлагаемая режущая пластина (ТТ10K8Б-TiC-Ti(CN)-Cr-TiN)
Прототип (ТТ10К8Б-Сr-ТiС-Ti(CN)-TiN)
Время резания до износа h<sub>3</sub>=0,4 мм, в мин
16
8
По результатам испытаний режущих пластин, приведенных в таблице, видно, что предлагаемая режущая пластина обеспечивает повышение износостойкости до 2 раз.
Преимущество предлагаемой режущей пластины обеспечивается тем, что, во-первых, слой из чистого хрома тормозит процесс трещинообразования наружного наноструктурного покрытия, а во-вторых, он залечивает дефекты слоя карбонитрида титана, что препятствует распространению трещин к подложке. Это обеспечивает повышение износостойкости режущей пластины за счет уменьшения отрыва частиц покрытия. Кроме того, повышается технологичность изготовления режущей пластины, т.к. в прототипе предусматривается дважды помещение пластин в установку для осаждения методом PVD вначале для осаждения мягкого слоя, а затем наружного наноструктурного слоя.