СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С КОМПОЗИТНЫМ ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ
PRODUCTION OF CUTTING TOOL WITH WEARPROOF COMPOSITE COATING

Изобретение относится к технологии металлообработки и может быть использовано для изготовления режущих инструментов, преимущественно типа лезвий (ножи, скальпели), предназначенных для работы в коррозионноактивной среде.
Несмотря на многообразие способов изготовления режущих инструментов с износостойким покрытием, нанесенным на инструментальную основу, далеко не все они обеспечивают соответствующее назначению качество покрытия (долговечность, коррозионную стойкость, адгезию покрытия к подложке, шероховатость, размер зерновой структуры и т.п.), при этом часто являются многоступенчатыми, энергоемкими, требуют сложного аппаратурного оформления.
Известен описанный в а.с. СССР №1527949, опубл. 2005.08.20, способ получения режущего инструмента с износостойким покрытием, включающий нанесение на инструментальную основу с помощью газофазного метода слоя карбида титана с последующим формированием методом конденсации в вакууме с ионной бомбардировкой чередующихся слоев тугоплавких металлов (хрома или молибдена) и нитрида хрома или нитрида титана с отношением толщин слоев металлов и нитридов металлов 1:1-1:5. Известный способ получения режущего инструмента является сложным, в том числе в аппаратурном оформлении, многоступенчатым и энергоемким, поскольку газофазный метод осуществляется при температуре свыше 1000°C, ионная бомбардировка производится ионами титана, ускоренными до энергии 1-3 кэВ, конденсация покрытия также осуществляется с помощью потока частиц с очень высокими энергиями и скоростями.
-4
-4
-3
Известен способ нанесения многослойного покрытия на рабочие поверхности режущего инструмента вакуумно-дуговым методом (пат. РФ №2430989, опубл. 2011.10.10), при этом нижний слой карбонитрида титана и ниобия наносят при давлении ацетилена в камере установки 7,5·10 Па и температуре 600°C, промежуточный слой такого же карбонитрида, легированного алюминием, наносят при давлении ацетилена в камере установки 7,5-10 Па и температуре 550°C, а верхний слой, содержащий карбонитрид титана и алюминия, наносят при давлении ацетилена в камере установки 4,3·10 Па и температуре 500°C. Известный способ является многоступенчатым, сложным и энергоемким, причем его осуществление требует специальных камер с контролируемой атмосферой (состав, давление).
Известен описанный в патенте РФ №2227815, опубл. 2004.04.27, способ получения режущего инструмента с многослойным покрытием на инструментальной основе из быстрорежущей высоколегированной стали с использованием метода конденсации из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой и дугового разряда. Способ нанесения покрытия, состоящего из внешнего основного покрытия из нитрида (титана, молибдена), внутреннего адгезионного подслоя из нитрида (титана, молибдена, железа, никеля, хрома) толщиной 2-3 мкм и промежуточного подслоя из титана, молибдена, железа, никеля и хрома толщиной 1,5 мкм, является сложным, многоступенчатым, связан со значительными энергозатратами и осуществляется в специальных камерах с контролируемой атмосферой.
Наиболее близким к заявляемому является способ производства с использованием дугового разряда (пат. РФ №2454311, опубл. 2012. 0627) режущего инструмента в виде титанового диска с нанесенным на его цилиндрическую поверхность износостойким покрытием, содержащим карбид титана. Способ включает помещение в емкость с дистиллированной водой титанового диска и графитового электрода, подведение электрического тока и формирование покрытия при силе тока от 150 до 500-600 А в течение 3 оборотов обрабатываемого диска, вращающегося со скоростью 12,5-25,0 об/мин с сохранением зазора между ним и графитовым электродом, достаточного для создания электрической дуги и формирования покрытия, содержащего поверхностный слой карбида титана с включениями графита толщиной 25-50 мкм и переходный слой смешанного состава толщиной 50-200 мкм. Локальный перегрев и эрозия обрабатываемого металла в результате обработки при высоких значениях силы тока, недостаточная стабильность дугового разряда при значениях силы тока выше 250 А в сочетании хаотическими пробоями межэлектродного промежутка, порождаемыми высокой скоростью движения обрабатываемого титанового диска, приводят к формированию бугристого покрытия со значительными перепадами толщины. Поверхностный слой покрытия, содержащий карбид титана с включениями свободного углерода, имеет вид неравномерно распределенных по поверхности отдельных «островков». Режущий инструмент с нанесенным абразивным покрытием предназначен для резки и обработки канавок деталей высокопрочных, в том числе металлических, материалов. Незначительная общая толщина покрытия (с промежуточным подслоем до 200 мкм) и грубая неровная поверхность с абразивными свойствами затрудняют дальнейшую механическую обработку и изготовление режущего инструмента с тонкой режущей кромкой.
Задачей изобретения является создание способа изготовления износо- и коррозионностойкого режущего инструмента, преимущественно ручного, с тонкой режущей кромкой.
Технический результат изобретения заключается в улучшении качества режущего инструмента за счет повышения равномерности распределения карбида титана в титановой матрице формируемого покрытия, увеличения толщины покрытия и уменьшение неровностей и дефектов его поверхности, а также в обеспечении возможности механической обработки покрытия.
Указанный технический результат достигается способом изготовления режущего инструмента с композитным износостойким покрытием, включающий нанесение на инструментальную основу режущего инструмента из титана либо его сплава композитного слоя из карбида титана в титановой матрице, в котором, в отличие от известного, нанесение композитного слоя осуществляют с помощью дугового разряда при силе тока 50-100 А в 0,1-0,2% водном растворе NaCl при катодной поляризации инструментальной основы с использованием графитового анода, который равномерно перемещают над ней со скоростью не более 1 мм/сек.
Способ осуществляют следующим образом.
Инструментальную основу, представляющую собой заготовку преимущественно в виде клинка, вырезанную из титанового листа и предварительно заточенную для создания режущей кромки, подвергают плазменно-химической обработке с помощью дугового разряда в разбавленном водном растворе NaCl с помощью установки, представленной на фиг. 1
Установка содержит емкость 1 из непроводящего материала, заполненную электролитом 2. Обработка инструментальной основы режущего инструмента 3 осуществляется посредством дугового разряда 4, возбуждаемого между графитовым анодом 5 и поверхностью обеих сторон катодно-поляризованного клинка 3. Преимущественно осуществляют обработку только рабочей поверхности (режущей кромки) 6 инструмента 3.
Обработку осуществляют при силе тока дугового разряда, не превышающей 100 А, преимущественно от 50 до 100 А, и обеспечивающей его стабильное протекание. Состав используемого электролита: разбавленный водный раствор NaCl (концентрация 0,1-0,2%). Диаметр графитового анода составляет от 4 до 8 мм при зазоре между электродами, не превышающем 1 мм.
Для улучшения однородности формируемого защитного слоя по толщине и по составу осуществляют равномерное перемещение графитового анода над обрабатываемой поверхностью, при этом скорость относительного перемещения составляет не более 1,0 мм/с.
В результате обработки на рабочей поверхности инструментальной основы из титана либо его сплава формируется композитный слой толщиной 1-2 мм с гетерогенной микроструктурой твердого сплава, содержащий включения карбида титана размером от сотен нанометров до десятков микрометров в титановой матрице, который обнаруживает гладкую поверхность без неровностей и дефектов. Примеси, содержащиеся в сплавах титана, не оказывают заметного влияния на структуру и свойства композитного слоя.
Микроструктура сформированного слоя, а также элементный состав и распределение элементов по его глубине и по площади были исследованы при помощи сканирующего электронного микроскопа EVO-50XVP с рентгеновским спектрометром INCA Energy («Карл Цейс») и сканирующего электронного микроскопа высокого разрешения Hitachi S5500 с приставкой для энергодисперсионного анализа Thermo Scientific.
На фиг. 2 представлены снимки (при различном увеличении) поверхности сформированного композитного слоя, содержащего карбид титана TiC в титановой матрице, включения которого четко видны после травления титана. Различимы зерна TiC размером от 100 нм до нескольких мкм.
Сформированный композитный слой, содержащий TiC в титановой матрице, обладает высокой адгезией к основе, является прочным, износо- и коррозионностойким, обеспечивает долговечность режущего инструмента, придает ему твердость и высокую режущую способность, при этом он не исключает возможность дальнейшей механической обработки рабочей поверхности, в частности, возможность окончательной заточки с помощью инструментов соответствующей твердости под необходимым углом режущей кромки при изготовлении специализированных режущих инструментов, например, скальпелей.
Предлагаемый способ изготовления износо- и коррозионностойкого режущего инструмента, обладающего высокой твердостью и режущей способностью, может найти применение, в частности, при изготовлении ручных инструментов для хирургии, для специалистов, чья деятельность связана с погружениями в морскую воду (дайвинг, подводная охота, подводные работы). Одним из важнейших требований, предъявляемых к специализированным инструментам для работы в коррозионноактивной среде (скальпели, «дайверский нож»), является высокая коррозионная стойкость, и в этом отношении лучшим материалом для изготовления клинка является титан. Однако, из-за вязкости, склонности к схватыванию и задирам режущая способность такого лезвия невысокая. Предлагаемый способ обеспечивает возможность изготовления режущего инструмента, сочетающего достоинства титана (высокую коррозионную стойкость и невысокий удельный вес) с высокой режущей способностью и износостойкостью.
Примеры конкретного осуществления способа
Пример 1
Клинок из сплава титана ВТ 1-0 (технический титан) подвергали плазменно-химической обработке в дуговом разряде при силе тока 50 А в 0,1% водном растворе NaCl в течение 60 секунд с использованием графитового анода при катодной поляризации обрабатываемого клинка при перемещении анода над его поверхностью на расстоянии 0.8 мм со скоростью 0,6 мм/сек.
Толщина сформированного покрытия 1,56 мм. Покрытие обнаруживает структуру гетерогенного сплава - карбид титана, равномерно распределенный в титановой матрице
Пример 2
Лезвие заготовки режущего инструмента из сплава титана ОТ4-1 (основа Ti, примеси, вес.%: Al 1,5-2,5, Zr 0,3, Mn 0,7-2,0, Fe 0,3, Si 0,12, остальные - 0,6) обрабатывали в условиях примера 1 при силе тока 100 А в 0,2% водном растворе NaCl в течение 50 секунд при скорости перемещения анода 0,9 мм/с.
Результаты аналогичны, полученным в примере 1. Толщина сформированного покрытия 1,86 мм.