РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ДВУХСЛОЙНЫМ ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ

Полезная модель относится к области металлообработки, и может быть использована для повышения стойкости режущего инструмента.
Ужесточение требований к точности размеров обрабатываемых деталей, к качеству обрабатываемой поверхности, а также использование в промышленности, при одновременном росте производительности процессов, 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 посредством нанесения 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 (TiN) [Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993, 252 с. Асанов Б.У, Макаров В.П. Нитридные покрытия, полученные вакуумно-дуговым осаждением, Вестник КРСУ №2, 2002 г.].
Однако, такие покрытия характеризуются недостаточной твердостью, слабой адгезией с инструментальной основой, высокими коэффициентами трения, снижением исходной твердости инструментальной основы из-за отпуска при формировании нитрида титана при повышенных температурах и наличием капельной фазы TiN, что не обеспечивает необходимой стойкости РИ.
Следующим шагом стало создание легированных нитридных покрытий. Так, известен режущий инструмент [патент РФ №2250810] с покрытием из нитрида титана, которое содержит кремний ((Ti,Si)N покрытие) толщиной порядка 5 микрон. Покрытие наносится дуговым распылением материала катодов, включающих элементы химического состава покрытия. Наличие кремния в нитриде титана при концентрации 0,67-1,33 масс.% 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 TiN повышается в 1,5 раза для инструмента из стали Р6М5К5.
Однако, высокие коэффициенты сухого трения (0,4-0,6) не позволяют добиться максимального эффекта повышения стойкости РИ с таким покрытием.
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
TiAlN
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
800
950
400
500
250-350
400
рабочая темп., °C
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 (метчик) с износостойким углеродным покрытием на рабочей части [патент РФ №93716], выполненным из твердого аморфного алмазоподобного углерода с расположенным под ним промежуточным адгезионным подслоем, выполненным из титана или его соединений с углеродом. При этом толщина покрытия составляет 1-3 мкм, а толщина промежуточного адгезионного подслоя составляет не более 0,1 толщины покрытия.
Нанесение такого покрытия твердостью 70-100 ГПа позволило осуществить упрочнение поверхности рабочей части метчика.
А наличие промежуточного адгезионного подслоя, выполненного из титана или его соединений с углеродом толщиной 0,1-0,3 мкм обеспечивает наилучшее химическое взаимодействие (адгезию) этого слоя как с основным материалом метчика - инструментальной сталью, так и с покрытием из твердого алмазоподобного углерода.
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, большие внутренние напряжения, характерные для алмазоподобного покрытия, являются причиной снижения износостойкости вследствие появления трещин в покрытии, их распространения вглубь и вдоль поверхностей раздела, что приводит к отслаиванию покрытия.
Существенным недостатком покрытий из твердого алмазоподобного углерода являются и невысокая температура термической стойкости.
Эти специфические особенности физических свойств покрытия из твердого аморфного алмазоподобного углерода существенно ограничивают область практического использования такого покрытия для повышения ресурса работы РИ.
Известен РИ с двухслойным износостойким покрытием [патент РФ №120902] на рабочей части режущего инструмента, верхний слой которою толщиной 0,3-0,5 мкм выполнен из твердого аморфного алмазоподобного углерода твердостью 30-50 ГПа, а нижний слой, толщина которого 1,0-1,5 мкм, расположенный на поверхности рабочей части инструмента, имеет твердость 30-35 ГПа, выполнен в виде нитридного покрытия (Ti-Al-Si)N при следующем содержании элементов, ат.%: Ti - 0,41-65,31; Al - 47,11-0,82; Si - 7,82-1,16; N - остальное.
Существенным недостатком нитридных покрытий с двумя и более легирующими элементами является трудность в поддержании необходимой концентрации легирующих элементов в покрытии, вследствие неравномерного распыления материала катода, которая обеспечила бы максимальный эффект повышения стойкости РИ.
Наиболее близким к заявляемому является РИ [патент РФ №107496] с двухслойным износостойким покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода. В этом РИ на рабочей поверхности расположен основной слой покрытия с твердостью 70-100 ГПа и толщиной 1-3 мкм, с расположенным под ним промежуточным адгезионным подслоем, толщиной не более 0,1 толщины покрытия, выполненным из титана или его соединений с углеродом, а поверх основного слоя покрытия расположен дополнительный слой из твердого аморфного алмазоподобного углерода с твердостью 30-50 ГПа толщиной 0,3-0,5 мкм, полученный методом деструкции углеводородов.
Эффект повышения стойкости РИ достигается путем модификации рабочей поверхности РИ нанесением на нее основного, сверхтвердого покрытия из твердого аморфного алмазоподобного углерода, полученного методом вакуумно-дугового импульсного распыления графита, и дополнительного менее твердого - обладающего более низкими коэффициентами трения чем основной слой - выполненного из твердого аморфного алмазоподобного углерода, твердостью 30-50 ГПА, полученного методом деструкции углеводородов.
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.
А наличие промежуточного адгезионного подслоя, выполненного из титана или его соединений с углеродом толщиной 0,1-0,3 мкм обеспечивает наилучшее химическое взаимодействие (адгезию) этого слоя как с основным материалом метчика - инструментальной сталью, так и с покрытием из твердого алмазоподобного углерода.
Основным недостатком такого покрытия являются большие внутренние напряжения, присущие алмазоподобным покрытиям, которые приводят к снижению износостойкости вследствие распространения трещин вглубь покрытия, вдоль границы слоев, а также вдоль границы раздела: покрытие - поверхность подложки. Это ведет к отслоению покрытия крупными фрагментами, что может являться причиной ограничения эффекта увеличения износостойкости РИ с двухслойным износостойким покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода с различной твердостью слоев.
В основу заявляемой полезной модели положена задача повышения рабочего ресурса режущего инструмента за счет повышения его износостойкости.
Поставленная задача решается тем, что в РИ с двухслойным износостойким покрытием на рабочей части, состоящим из основного покрытия, включающего твердый аморфный алмазоподобный углерод, дополнительного покрытия из твердого аморфного алмазоподобного углерода с твердостью 30-50 ГПа толщиной 0,3-0,5 мкм, поверх основного, и, расположенного между основным покрытием и поверхностью рабочей части, промежуточного адгезионного подслоя, толщиной не более 0,1 толщины покрытия, выполненного из соединения титана с углеродом согласно полезной модели, основное покрытие выполнено в виде многослойного, состоящего из чередующихся между собой слоя соединения титана с углеродом с концентрацией углерода 30-45 вес.% в слое, толщиной 40-50 нм, полученного при одновременном дуговом распылении титановой мишени и импульсно-дуговом распылении графитовой мишени, и слоя из твердого аморфного алмазоподобного углерода, твердостью 70-100 ГПа, толщиной 30-40 нм, полученного методом импульсно-дугового распыления графита, с общим числом слоев 20-30
При этом концентрация углерода в промежуточном адгезионном подслое составляет 30-80 вес %
Выполнение основного покрытия из чередующихся тонких слоев соединения титана с углеродом и твердого аморфного алмазоподобного углерода обеспечивает повышение износостойкости покрытия, и, следовательно, ресурса режущего инструмента, за счет увеличения объемной доли границ раздела в слое соединения титана с углеродом, структура которого включает частицы размером в несколько десятков нанометров, что тормозит движение дислокаций, блокируя развитие трещин на границах слоев (Погребняк А.Д., Шпак А.П., Азаренков Н.А., Береснев В.М. УФН. 2009. Т. 179. №1. С. 35-63).
Наблюдается более равномерный и длительный износ покрытия при одновременном уменьшении частиц износа. Это приводит к увеличению износостойкости РИ с двухслойным покрытием, основной слой которого выполнен в виде многослойного наноструктурного покрытия.
Выполнение же дополнительного слоя из твердого аморфного алмазоподобного углерода, обладающего невысокой твердостью и низкими коэффициентами трения, обеспечивает более быструю приработку режущего инструмента на начальном этапе эксплуатации.
Выбор общего количества слоев многослойного покрытия не менее 20 обусловлен следующим. Обычно, для упрочнения РИ наносятся покрытия толщиной несколько микрон. Более толстые покрытия (толщиной более 10 мкм) приводят к изменению радиуса заточки режущей кромки, что может вызвать ее затупление. При стандартной заточке инструмента, который подвергается нанесению упрочняющего покрытия, наиболее оптимальная его толщина - от 1 до 3 микрон. Нанесение пленки менее одного микрона неэффективно для увеличения его износостойкости, вследствие высоких удельных нагрузок, которым подвергается режущая кромка при работе РИ.
Следовательно, для обеспечения оптимальной толщины всего покрытия, учитывая толщину дополнительного верхнего слоя, количество слоев многослойного покрытия с толщиной отдельного слоя 40-50 нм должно составлять не менее 20, но не более 30, так как последующее увеличение количества слоев может привести к затуплению режущей кромки.
Многослойное покрытие наносится на промежуточный адгезионный подслой, расположенный непосредственно на рабочей части РИ, толщиной не более 0.1 толщины покрытия, состоящий из соединения титана с углеродом. Концентрация углерода в адгезионном слое составила от 30 до 80 вес %. Наличие такого слоя обеспечивает наилучшую адгезию покрытия с материалом инструмента (И.Ш. Трахтенберг, С.А. Плотников, А.Э. Давлетшин и др. Повышение адгезии алмазоподобных покрытий к стали с помощью переходного слоя переменного состава. ФММ, 2000, т. 89, №4, с. 91-95.).
Таким образом, новый технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью, заключается в повышении износостойкости режущего инструмента за счет увеличения объемной доли границ раздела в слое из соединения титана с углеродом, структура которого включает частицы размером в несколько десятков нанометров, что тормозит движение дислокаций, блокируя развитие трещин на границах слоев.
Ресурс РИ с заявляемым двухслойным износостойким покрытием был определен в условиях реального производственного процесса на Уральском заводе транспортного машиностроения (ОАО «Уралтрансмаш») при обработке деталей из различных сталей: 45Х, 08Х18Н10Т, сталь 20. В качестве режущего инструмента с заявляемым покрытием были выбраны концевые фрезы (⌀=9 мм) и сверла диаметром 7.8 и 10.5 мм.
Износостойкость РИ с заявляемым покрытием оказалась в полтора раза выше износостойкости РИ с двухслойным покрытием [патент РФ №107496]. Это увеличение вызвано повышением износостойкости основного покрытия, выполненного многослойным в виде чередующихся слоев твердого аморфного алмазоподобного углерода и соединений титана с углеродом за счет наличия частиц размером в несколько десятков нанометров, что тормозит движение дислокаций, блокируя развитие трещин на границах слоев.
Таким образом, изложенные выше сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:
- заявляемый режущий инструмент с двухслойным износостойким покрытием может быть использован в области металлообработки;
- заявляемый режущий инструмент способен увеличить в 1,5 раза рабочий ресурс по сравнению с наиболее близким при больших скоростях резания с обеспечением более высокого качества обрабатываемой поверхности.