Зносостійке іонно-плазмове покриття для ріжучого і формотворного інструменту

Реферат: Стійке іонно-плазмове покриття для ріжучого і формотворного інструменту містить Ti-Al-N, молібден, хром, ванадій і кремній, утворюючи багатокомпонентне покриття виду (Ti-Al-Mo-Cr-VSi) N при наступному вмісті компонентів у ваг. % Аl (4,4-7,5), Мо (4,4-4,7), Сr (1,4-1,6), V (4,4-4,7), Si (1,5-2,3), Ті-інше. UA 95405 U (12) UA 95405 U UA 95405 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі машинобудування, зокрема, до технології отримання іонно-плазмових покриттів із зносостійкими властивостями шляхом вакуум-дугового осадження. Такі покриття можуть використовуватися в машинобудуванні, авіабудуванні, металургії та інших галузях промисловості при створенні конструкцій із захисними, зміцненими, зносостійкими, ерозиційностійкими покриттями, зокрема, для підвищення стійкості ріжучого, формотворного, вирубного інструменту. Відомі багатокомпонентні зносостійкі покриття і способи їх нанесення на металеву підкладку, зокрема, покриття Ti-N, Zr-N, Cr-N, Ti-C-N, Ti-Al-N, Ti-Cr-N, Ti-Zr-N, Ti-Al-V-N, Cr-Al-N, отримані методами вакуум-дугового осадження, плазмового нанесення, методом магнетронного розпилення чи іншими. Відомо, наприклад, зносостійке іонно-плазмове покриття на основі нітриду хрому, нанесене на металевий виріб [див. опис до патенту РФ № 2025543, М.кл. С 23 С 14/08, опубл. 30.12.1994 p.], що містить ванадій у складі нітриду (Cr-V) N при наступному співвідношенні хрому і ванадію ат%: Сr 28-50, V50-72. Покриття може використовуватися в промисловості для підвищення зносостійкості різального та технологічного інструменту, має відносну зносостійкість, яка змінюється в залежності від складу. Однак зносостійкість такого покриття невисока, а його застосування обмежене, оскільки використовується в основному для обробки конструкційних сталей. Відомо, також багатошарове покриття на твердосплавний інструмент для обробки титанових сплавів, що складається з шарів, послідовно нанесених на поверхню інструменту [див. опис до патенту РФ № 2415198, М.к. С23С 14/06, опубл. 09.11.2009], адгезійного шару складу λ Nb + μ Сr + ν Zr товщиною 0,2-0,8 мкм, перехідного шару складу αNbN+βCr+γZrN товщиною 0,3-0,8 мкм, при цьому перехідний шар містить, принаймні, один нітрид металу, що входить до складу адгезійного шару, і наноструктурований зносостійкий шар товщиною 10-100 нм, що складається з повторюваного комплексу наношарів χNbN+δCrN+εZrN, при цьому перший нанослой, що контактує з перехідним шаром, має однаковий з ним склад. Індекси λ, μ, ν, α, β, γ, χ, δ, ε представляють собою масові частки відповідних нітридів в межах від 0 до 1 при їх сумарному значенні рівному 1. Описане вище покриття, отримане методом вакуумної іонно-плазмової технології, дозволяє підвищити час обробки на відмову і надійність різального інструмента за рахунок високої адгезії шарів між собою. Однак, область застосування, як і в попередньому випадку, обмежується металообробкою в основному конструкційних сталей. Використання твердих сплавів та інших подібних матеріалів виявляє його непридатність внаслідок складності покриття і схильності до утворення мікротріщин внаслідок порушення кристалоподібності при переході від одного шару до іншого. Найбільш близьким до технічного рішення, що заявляють, за призначенням, технічною сутністю та результатом, що досягається при використанні, є покриття, що містить шар (Ті уАl1-y) N [див. опис до патенту РФ № 2487781, М.кл. В23В 27/16, опубл. 20.01.12 p.] і наношарову область, яка включає безліч наборів наношарів, що чергуються, де кожен набір наношарів, що чергуються, містить один наношар, який включає алюміній, титан, хром і азот, і інший наношар, що включає алюміній, хром, титан і азот з відмінними стехіометричними індексами. Описане вище покриття має підвищену зносостійкість. Досягнутий технічний результат забезпечує в свою чергу підвищення продуктивності різального інструменту при виконанні операцій, пов'язаних зі стружкоутворенням. з Однак, ріжучий інструмент з досить високим опором зносу при обробці конструкційних сталей виявляється недостатньо ефективним при обробці спеціальних сталей або, наприклад, при обробці тиском. До того ж, як і попереднє, покриття складне і не позбавлене згаданого вище недоліку. Тому метою пропонованого технічного рішення є комплексне підвищення основних технічних характеристик покриття, таких як міцність, зносостійкість, адгезійна сумісність покриття з основою. В основу технічного рішення, що заявляють, поставлена задача поліпшення покриття, що містить нітриди титану та алюмінію, в якому, внаслідок виконання на поверхні виробу шару нітриду, легованого іонами Мо, Сr, V, Si і утворення багатокомпонентне покриття виду (Ті, АІ, Mo, Cr, V, Si) N, досягається новий технічний результат. Новизна технічного результату полягає в утворенні покриття, в якому легований нітридовий шар в результаті введення до складу покриття Ti-Al-N додаткових легуючих елементів (Мо, Сr, V, Si) в умовах, що забезпечують утворення високотвердих, міцних, високоентальпійних 1 UA 95405 U 5 10 15 нітридних сполук (Mo2N, CrN, VN, S13N4), забезпечує суттєве підвищення зносостійкості та інших механічних властивостей покриття. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому покритті, що містить шар нітриду (Ті-AIN), згідно корисної моделі, шар нітриду легований іонами Мо, Сr, V, Si і утворює багатокомпонентне покриття виду (Ті, АІ, Мо, Сr, V, Si) N при наступному вмісті компонентів у ваг. % АІ (4,4-7,5), Мо (4,4-4,7), Сr (1,4-1,6), V (4,4-4, 7), Si (1,5-2,3), Ті - інше. Як видно з викладу суті заявленого технічного рішення, воно відрізняється від прототипу і, отже, є новим. Технічне рішення, що заявляють, відрізняється від відомих принципово, як зазначено вище, тим, що в результаті введення до складу покриття Ti-Al-N додаткових легуючих елементів (Mo, Cr, V, Si) в умовах, що забезпечують утворення високотвердих, міцних, високоентальпійних нітридних сполук виду (MO2N, CrN, VN, Sі3N4), забезпечується суттєве підвищення зносостійкості та інших механічних властивостей покриття. Технічне рішення, що заявляють, промислово застосовне і може бути використане у виробництві інструментів для обробки твердих сплавів, зокрема інструментальних сталей. У таблиці 1 показана залежність складу, одержуваних покриттів, від технологічних параметрів і деякі властивості покриттів. Таблиця 1 Технологічні параметри Покриття Ір(Ті), ІР(АІ), PN2, Uc, B Ті -1 А А 10 Па 1 80 100 80 1,5 ін. Склад покриття, (%) Мо V Мікротв., Товщ., Адгезія 2 Hv, кГ/мм мкм Сr Al Si 4,4 4,4 1,4 6,9 2,3 13,6 3500 10 N 2 100 2,0 ін. 4,5 4,6 1,5 7,5 2,5 14,4 4200 10 100 120 120 2,0 ін. 4,6 4,7 1,5 6,1 2,1 14,6 4500 10 4 5 Ti-N 6 Ti-Al-N 25 100 3 20 90 100 100 100 130 100 120 100 100 3,0 2,0 2,0 ін. ін. ін. 4,7 4,7 1,6 4,3 8,0 1,5 16,0 - 18,0 - 18,0 4600 1800 3000 добра дуже добра дуже добра добра добра добра 10 10 10 Для порівняння в табл. 1 (пп. 5, 6) наведені характеристики покриттів Ti-N і Ti-Al-N, отриманих на тому ж обладнанні, але не із сплавних, а із чистих катодів. Спосіб формування покриття на металевій підкладці полягає в наступному. Покриття отримують способом вакуум-дугового осадження з плазмової фази в середовищі реакційного газу азоту з іонним бомбардуванням. Осадження ведуть з двох катодів - сплавного титанового катода, до складу якого входять домішки молібдену, хрому, ванадію в наступному співвідношенні компонентів, (%) (табл. 2) і сплавного алюмінієвого катода, до складу якого входять домішки кремнію в наступному співвідношенні компонентів, (%) (табл. 3): Таблиця 2 Вміст елемента в катоді, (%) Ті інше V 4-5.5 Сr 0.5-1.5 Мо 4-5.5 Таблиця 3 Si 20-22 Вміст елемента в катоді, (%) Аl інше 30 35 Перед розміщенням у вакуумній камері вироби, що покривають, та контрольні зразки промивають у бензині і протирають спиртом і встановлюють у гнізда поворотного-планетарного механізму столу вакуум-дугового блоку установки Avinit, що розташовані по колу. В якості матеріалів катодів, що розпилюють, використовували Сплавний титановий катод і Сплавний алюмінієвий катод. -3 -1 Реакційну камеру вакуумували до тиску 6,6·10 Па, напускали аргон до тиску 2·10 Па, підпалювали тліючий розряд і встановлювали струм розряду 20 А. Очищення в тліючому розряді аргону проводили при плавному підвищенні потенціалу зміщення на деталях, що покривали, від 20 В до 1000 В протягом 30 хв. 2 UA 95405 U 5 Потім проводили обробку виробів у високощільній плазмі аргону. Для цього напускали аргон -1 до тиску 2·10 Па через газовий плазмогенератор, підпалювали газовий розряд, встановлювали ток газового розряду 20 А, плавно підвищуючи потенціал зміщення на деталях, що покривали, від 20 В до 400…500 В, нагрівали деталі до 400…500 °С і проводили очищення в газовому розряді аргону протягом 30 хв. Після цього аргон замінювали на азот при тому ж робочому тиску в камері PN2 = (1,33-1 4,0)·10 Па і підпалювали дуговий розряд на обох катодах з технологічними параметрами, що наведені в табл. 4. Таблиця 4 Технологічні параметрі Склад покриття, (%) Мікротв., Товщ., Покриття Ір(Ті), ІР(АІ), Адгезія PN2, 2 Uc, B Ті Мо V Сr Al Si N Нv, кГ/мм мкм -1 А А 10 Па 1 80 100 80 1,5 Інш. 4,4 1,4 6,9 2,3 13,6 3500 10 добра дуже 2 90 100 100 2,0 Інш. 4,5 4,6 1,5 7,5 2,5 14,4 4200 10 добра дуже 3 100 120 120 2,0 Інш. 4,6 4,7 1,5 6,1 2,1 14,6 4500 10 добра 4 110 130 120 3,0 Інш. 4,7 4,7 1,6 4,3 1,5 16,0 4600 10 добра 5 Ti-N 100 100 2,0 Інш. - 18,0 1800 10 добра 6 Ti-Al-N 100 100 100 2,0 Інш. 8,0 - 18,0 3000 10 добра 10 15 20 25 30 При обробці в плазмі титану при струмі розряду Ір (Ті) = 80-120 А і алюмінію при струмі розряду Ір (А1) = 90-140 А і потенціалі зміщення Uc=50-150 В у середовищі азоту PN2 = (1,33-1 4,0)·10 Па плазмова фаза поряд з іонами титану а алюмінію додатково містить іони молібдену, хрому, ванадію і кремнію, які і входять до складу покриття. Нанесення покриття проводили протягом 120 хвилин. Товщина покриття досягає 8…10 мкм. Вимірювання мікротвердості проводили мікротвердомірі ПМТ-3 на контрольному зразку після нанесення покриттів при навантаженні на алмазну піраміду 0,2 Н. У табл. 4 показана залежність складу одержуваних покриттів від технологічних параметрів і деякі властивості покриттів. Для порівняння в табл. 4 (пп. 5, 6) наведені характеристики покриттів Ti-N і Ti-Al-N, отриманих на тому ж обладнанні, але не із сплавних, а із чистих катодів. Реалізацію покриттів для зміцнення ріжучого і формотворного інструменту, отриманого за запропонованим способом, ілюструють такі приклади. Приклад 1. Проведені порівняльні випробування твердосплавного ріжучого інструменту з багатокомпонентними покриттями у виробничих умовах високошвидкісного фрезерування. Випробування проводилися на твердосплавних фрезах виробництва фірми "FRAISA", які в початковому стані покриття не мали, і на таких же фрезах з багатокомпонентними покриттями, нанесеними згідно способу, що заявляють. Випробування проводилися методом порівняння величини зносу на ефективному діаметрі покритої і не покритої фрез, що працюють в однакових умовах на заготівлі зі сталі 45 з твердістю HRC 45. Величина зносу ріжучої кромки Н визначалася за допомогою мікроскопа при збільшенні в 30 разів. Результати випробувань наведені в табл. 5. Таблиця 5 Позначення фрези 5280.140 2 R1 5280.220 4 R2 5280.300 6 R3 Режими різання Чаc Величина Глибина роботи, Оберти Подача зносу різання ар хв. (об/хв.) (мм/хв.) (мм) 42000 1680 0,04 53 0,04 42000 1680 0,04 53 0,12 42000 4200 0,05 21 0,03 42000 4200 0,05 21 0,08-0,1 42000 5880 0,12 30 0,05 42000 5880 0,12 30 0,15-0,2 Покриття Покриття (табл. 3, п. 2) Без покриття Покриття (табл. 3, п. 3) Без покриття Покриття Avinit (табл. 3, п. 4) Без покриття 35 3 UA 95405 U 5 10 15 20 25 Результати порівняльних випробувань показали, що на однакових режимах високошвидкісного фрезерування знос фрез, покритих за пропонованим способом при оптимальних параметрах процесу (табл. 1, п. 2-4) багатокомпонентними покриттями в 2,6-4 рази менше, ніж не покритих. Приклад 2. Проведені виробничі випробування сфероциліндричних фрез R15, зміцнених згідно заявленому способу (табл. 1, п. 3). Умови проведення випробувань: Операція - фрезерування профілю лопатки. Обладнання - обробний центр мод. 2204ВМ1Ф4. Оброблювана деталь - лопатка апарату Б90010160, що спрямляє; матеріал - ЕП479 (15 × 16Н2АМШ). Інструмент: фреза 9336-1239 (серійно вживана): 030 мм; R15 MM; Z=6; матеріал Р6М5К5МП (HRC66); передній кут - у = 10°; задній кут - а = 12°. Режими різання: число обертів n = 200 об / хв; подача - S=250 мм / хв; глибина обробки - t=2…3 мм; охолодження - масляна СОЖ "Асфол-2". Як показали результати виробничих випробувань, зміцнення інструменту типу сфероциліндрічні фрези 9336-1239 за заявленим способом забезпечує підвищення стійкості інструменту в 1,5…1,8 рази при підвищенні якості обробленої поверхні. Приклад 3. Згідно заявленому способу, як і в прикладі 1, були нанесені багатокомпонентні покриття на формозмінюючи частини штампів, що використовуються для вібропросічки на діропробивних пресах з ЧПУ "Behrens". Порівняльні випробування в умовах промислового виробництва на штампах  12 мм, які використовують для найбільш навантажених і жорстких режимів вібропросічки на діропробивних пресах з ЧПУ "Behrens", показали, що при однакових умовах і режимах роботи стійкість штампів з багатокомпонентними покриттями значно більше, ніж без покриття (коефіцієнт зміцнення від 5 до 40 разів), при цьому підвищується якість оброблюваних матеріалів (табл. 6). Таблиця 6 Позначення штампа Покриття Товщина Кількість оброблен. ударів матеріалу Покриття t (табл. 3, п. 2) Без покриття Покриття t (табл. 3, п. 2) Матрици 12,07 мм Вез покриття Покриття t (табл. 3, п.1) Пуансони 12 мм Без покриття Покриття t (табл. 3, п.1) Матрици 12,45 мм Вез покриття Пуансони 12 мм 30 35 40 1 мм 3 мм 161805 46230 161805 46230 62030 26140 62030 26140 ВелиШвидкість чина зноса, зноса, мм/удар мм -7 0,02 1,24·10 -6 0,11 2,38·10 -7 0,004 2,47·10 -6 0,05 1,1·10 -7 0,03 4,8·10 -6 0,15 5,7·10 -7 0,04 6,4·10 -6 0,08 3,0·10 Коеф. зміцнення 19 43 12 5 Особливо ефективно працює покриття при вирубці листових металів: сталей, латуні, міді. Стійкий до ушкоджень покриття на крайках штампа виконує ті ж функції, що й на фрезах при ударних навантаженнях. Покриття оберігає вироби від задирків під час рубки, так як навіть при зносі покриття по вирубної кромці зберігається тривалий час на прилеглих поверхнях матриці і пуансона. Підвищує довговічність штампа в 3 і більше разів. Приклад 4. Багатошаровіпокриття (табл. 1, п. 2) були нанесені на твердосплавні ріжучі пластини з сплаву ВК6. Як показали результати промислових випробувань, при обробці торців зварних труб (=2575 мм) зі сталі Ст. 3 кп (умови різання: швидкість різання V=20-25 м / хв, глибина різання 3 мм), стійкість різальних пластин з багатошаровими покриттями збільшується в 2,6-3 разів. Як видно з наведених прикладів, найкращі результати по зміцненню різних типів інструментів досягаються для покриттів, зазначених у табл. 1, п. 2. Оптимальні технологічні параметри процесу такі: Ір (Ті) = 90 А, Ір (А1) = 110 A, Uc 10 В, -1 PN2=2,0·10 Па (табл. 1, п. 2). При цьому формуються покриття з наступним співвідношенням компонентів, (%): 45 4 UA 95405 U Таблиця 7 Ті решта 5 10 Аl 7,5 V 4,6 Сr 1,5 Мо 4,5 Si 2,5 N 14,4 Таким чином, пропонований спосіб дозволяє досягти багаторазового збільшення зносостійкості і терміну служби ріжучого і формотворного інструменту. Ефект досягається нанесенням дуже тонких (0,5-10 мкм) зносостійких покриттів на робочі поверхні деталей. Операція нанесення покриттів є фінішною, не впливає на попередній процес виготовлення деталей. Мала товщина покриттів не вимагає зміни величини допусків на їх розміри. Надвисока твердість покриттів і виключно висока міцність зчеплення покриттів із всілякими підкладками забезпечують підвищення зносостійкості різального, формотворного інструменту і деталей машин в 3-30 разів, штампів в 5-100 разів, деталей, що труться об абразивні матеріали, в 10100 разів. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Стійке іонно-плазмове покриття для ріжучого і формотворного інструменту, що містить Ti-Al-N, яке відрізняється тим, що воно додатково містить молібден, хром, ванадій і кремній, утворюючи багатокомпонентне покриття виду (Ti-Al-Mo-Cr-V-Si) N при наступному вмісті компонентів у ваг. % Аl (4,4-7,5), Мо (4,4-4,7), Сr (1,4-1,6), V (4,4-4,7), Si (1,5-2,3), Ті-інше. Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5