РЕЖУЩИЙ ТВЕРДОСПЛАВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ С МНОГОСЛОЙНЫМ ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ

Полезная модель относится к нанесению износостойких покрытий на режущий инструмент, в частности к нанесению покрытий распылением и конденсацией в вакууме на твердосплавный режущий инструмент.
Полезная модель может быть использована во всех областях машиностроения, связанных с механической обработкой металлов, в том числе, легких сплавов, в частности, алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния (более 12%).
Широкое использование легких сплавов в современном машиностроении ставит новые задачи перед обрабатывающим инструментом. Среди ключевых факторов, связанных с выбором подходящего обрабатывающего оборудования, оснастки, СОЖ, режущего инструмента со специальной геометрией, режимов резания, решающим является также и выбор унифицированного износостойкого покрытия для данного инструмента. Новые виды покрытий позволяют достичь максимальной производственной эффективности, которая заключается как в повышении производительности, так и в высоком качество обработанной поверхности.
Как известно, преобладающим типом износа инструмента при обработке алюминиевых сплавов является адгезионный износ, когда непрерывно протекающие процессы схватывания, слипания материала инструмента с обрабатываемым материалом и последующим разрушением островков адгезии на контактной поверхности приводят к выкрашиванию материала износостойкого покрытия и его отслоения на контактных площадках, формированию заусенцев на режущей кромке. В случае обработки алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния вторым по значимости механизмом является абразивный износ, приводящий в выкрашиванию режущей кромки и снижению стойкости инструмента наряду с ухудшением качества обрабатываемой поверхности.
Основным путем повышения стойкости металлорежущего инструмента является нанесение многослойных композиционных покрытий со слоями различного функционального назначения. Покрытие должно обладать повышенной твердостью, при сохранении высокой адгезии к инструментальному материалу и минимальной физико-химической активностью по отношению к обрабатываемому материалу.
0,05
Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату, взятое за прототип, является композиционное покрытие AlTiCrN (Патент на полезную модель №148380, 17.02.2014). Однако, данное покрытие не позволяет достичь требуемого технического результата при обработке алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния из-за быстрого износа антиадгезионного верхнего слоя из нитрида хрома с твердостью около 2000 HV, последующего ухудшения отвода стружки из зоны резания из-за высокого коэффициента трения износостойкого слоя на основе нитридов алюминия и титана.
Технический результат - повышение стойкости твердосплавного режущего инструмента при механической обработке легких сплавов, в частности, алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния.
Указанный технический результат достигается тем, что режущий инструмент с многослойным покрытием содержит инструментальную основу из твердого сплава и нанесенное на нее четырехслойное покрытие, состоящее из нижнего адгезионного слоя из нитрида титана, переходного слоя из нитридов титана и циркония, масс.%: 60 и 40, соответственно, износостойкого подслоя из нитридов циркония и градиетного износостойкого слоя из карбонитрида циркония с увеличением концентрации карбидов циркония от основы к поверхности с 0 до 20%.
0,05
Толщина адгезионного слоя находится в пределах 0,15-0,2 мкм, переходного слоя 0,15-0,2 мкм, износостойкого подслоя 0,35-0,4 мкм, изностойкого слоя 0,55-0,6 мкм. Общая толщина покрытия составляет 1,2-1,4 мкм. Твердость покрытия на поверхности составляет 3100 HV.
0,05
0,05
Такая структура покрытия позволяет получить высокую прочность сцепления с основой из-за наличия в покрытии нижнего слоя, обладающего высокой адгезией с инструментальной основой и чередования слоев, в которых имеется хотя бы один элемент из состава граничащих слоев, что увеличивает прочность их связи между собой. Постепенное увеличение твердости слоев от основы к поверхности с 2100 HV до 3100 HV придает дополнительную прочность покрытию и стойкость к ударным нагрузкам, а так же стойкость к абразивному истиранию. Верхний износостойкий слой из ZrCN за счет низкой химической активности и низкого коэффициента трения так же препятствует налипанию обрабатываемого материала на инструмент, снижает трение инструмента по обрабатываемой поверхности и улучшает отвод стружки даже в условиях сухого резания.
Для выявления преимущества предлагаемой модели покрытия было нанесено покрытие - прототип, согласно известному способу, а также покрытие по предлагаемой модели. Покрытия наносили на установке вакуумно-дугового осаждения покрытий на цельнотвердосплавные фрезы, предназначенные для обработки легких сплавов, в том числе алюминиевых.
Результатом применения полезной модели при обработке сплавов АМГ6 и АЛ26 стало увеличение средних периодов стойкости фрез диаметром 8 мм с предлагаемой моделью покрытия на 12% и 29%, соответственно, по сравнению со средним периодом стойкости аналогичных фрез с покрытием - прототипом в условиях сухого резания.