способ упрочнения твердосплавного режущего инструмента

Формула изобретения

1. Способ упрочнения твердосплавного режущего инструмента групп ТК и ВК, включающий нанесение износостойкого покрытия с последующим облучением мощным ионным пучком, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия осуществляют стабилизацию структуры сплава термической обработкой, а облучение проводят мощным импульсным ионным пучком состава ⁺ и Н⁺, с длительностью 40 - 70 нс, энергией 200 - 400 кэВ, плотностью тока ионов в пределах 50 - 200 А/см², дозой ионов 10¹² - 10¹⁴ ион/см².

2. Способ упрочнения по п.1, отличающийся тем, что наносят износостойкое покрытие на основе соединений титана TiN, TiC, TiAl толщиной 0,1 - 4 мкм.

3. Способ упрочнения по п.1 или 2, отличающийся тем, что термическую обработку инструмента проводят в вакуумной камере в среде инертного газа при температуре ~ 600^oC в течение 1 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии поверхностной упрочняющей обработки инструментальных материалов потоками заряженных частиц и предназначено для использования в инструментальной промышленности.

Известен способ обработки режущего инструмента из быстрорежущих сталей (а.с. N 1549110 МПК, 6 C 23 C 14/48, БИ N 17, 1998 г.), включающий очистку и ионно-плазменное нанесение износостойкого покрытия нитрида титана, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости инструмента после нанесения покрытия, в него имплантируют ионы карбида вольфрама с энергией 40-100 кэВ и дозой 510¹⁶-10¹⁷ ион/см².

Недостатком известного способа является наличие границы раздела покрытие-матрица, как следствие - относительно низкий уровень адгезионного взаимодействия композиции "модифицированное покрытие - основа" и связанные с этим эффекты разрушения; а также незначительная глубина имплантированного слоя. Кроме того при имплантации за счет образования высокодисперсных частиц карбидов вольфрама растет твердость покрытия, но увеличивается его хрупкость, что может служить дополнительной причиной отслаивания материала покрытия и снижения пластичности всей композиции в целом в условиях трибомеханического нагружения.

Известен способ обработки твердосплавного режущего инструмента (Патент РФ N 2119551, МПК 6 C 23 C 14/48, БИ N 27, 1998 г.), заключающийся в том, что после имплантации ионов титана с энергией в диапазоне 25-35 кэВ и дозой в пределах 210¹⁷-510¹⁷ ион/см² дополнительно проводят импульсное облучение мощным пучком ионов углерода и водорода с энергией 300 кэВ, плотностью тока в пределах 50-150 А/см², дозой ионов 10¹⁴ ион/см².

Достоинством способа является то, что при данном воздействии не образуются зоны контакта по типу пленка - подложка, достигается компромисс между хрупкими и пластичными свойствами твердого сплава за счет упрочнения карбидных зерен при сохранении пластичной кобальтовой прослойки. Недостатком способа является малая концентрация имплантированной примеси в поверхностных слоях твердого сплава.

Наиболее близким к заявляемому является способ нанесения покрытий на изделия из металлов и сплавов (а.с. N 1468017, МПК 5 C 23 C 14/48, БИ N 18, 1994 г. ), включающий ионную очистку поверхности с последующим нанесением износостойкого покрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения микротвердости и износостойкости изделия, очистку проводят облучением изделия ионным пучком с плотностью мощности более 710⁶ Вт/см², а после нанесения покрытия изделие дополнительно облучают ионным пучком с плотностью мощности (0,3-6)10⁶ Вт/см², причем длительность облучения до и после нанесения покрытия выбирают равной 60-100 нс.

Недостатком известного способа является то, что такая ионная очистка неэффективна применительно к твердым сплавам вследствие возможности увеличения значений межфазных термических напряжений под воздействием мощного ионного пучка в указанных режимах плотности мощности, приводящих к хрупкому разрушению и снижению износостойкости твердосплавного инструмента в условиях резания. Кроме того, в известном способе не предусмотрен стабилизирующий структуру и напряженное состояние поверхностных слоев модифицируемых изделий из металлов и сплавов термический отжиг, что может снизить надежность твердосплавного режущего инструмента.

Задачей настоящего изобретения является создание способа упрочнения твердосплавного режущего инструмента групп ТК и ВК, обеспечивающего повышение эффективности упрочнения инструмента за счет комплексного воздействия: термической, ионно-плазменной и ионно-лучевой обработки.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе упрочнения твердосплавного режущего инструмента групп ТК и ВК, включающем нанесение износостойкого покрытия с последующем облучением ионным пучком, перед нанесением покрытия осуществляют стабилизацию структуры сплава термической обработкой, а облучение производят мощным импульсным ионным пучком состава C⁺ и H⁺, с длительностью 40-70 нс, энергией 200-400 кэВ, плотностью тока ионов в пределах 50-200 А/см², дозой ионов 10¹²-10¹⁴ ион/см². При этом наносят износостойкое покрытие на основе соединений титана, например, TiN, TiC, TiAl толщиной 0,1-4 мкм методом конденсации вещества из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки (КИБ). Термическую обработку инструмента проводят в вакуумной камере при температуре ~600^oC в течение 1 часа.

В результате комплексной модификации, включающей предварительную термообработку, нанесение износостойкого покрытия и последующее воздействие ионным пучком, существенно повышается уровень адгезионного взаимодействия покрытия с твердосплавной матрицей за счет интенсивного перемешивания на границе раздела покрытие - основа, обеспечивается положительный градиент механических свойств за счет образования аморфного слоя у поверхности и структурных изменений на больших глубинах, в частности за счет изменения размера и формы зерен покрытия и основы по глубине. Комплексная обработка обеспечивает повышение износостойкости твердосплавного режущего инструмента при точении конструкционных сталей.

Указанный технический результат достигается за счет комплексной модификации, включающей предварительный отжиг, нанесение износостойкого покрытия и последующую обработку мощным ионным пучком. При этом посредством предварительной термообработки осуществляется стабилизация структуры твердого сплава за счет релаксации термических межфазных напряжений, возникающих в твердых сплавах при их спекании, а также для исключения суммирования остаточных напряжений с напряжениями, возникающими в материале при последующей ионно-лучевой термической закалке. Благодаря использованию мощного ионного пучка осуществляется перемешивание компонентов материала покрытия и основы вблизи границы их раздела, образование композиции тугоплавких элементов и соединений, а также их проникновение в материал основы. Кроме того, ионный пучок данной плотности тока и энергии ионов инициирует образование аморфного слоя на поверхности покрытия. Плотность ионного тока и количество импульсов выбирают таким образом, чтобы исключить полное распыление нанесенного покрытия и предохранить твердосплавную основу от эффектов эрозии, приводящих к образованию микрократеров на основе.

Повышение износостойкости твердосплавного инструмента достигается за счет комплекса факторов: 1) формирования высокопрочных поверхностных слоев, подвергнутых импульсной ионно-лучевой термической закалке; 2) перемешивания на границе раздела покрытие - основа с образованием композиции тугоплавких элементов и их соединений, способствующих упрочнению и самой твердосплавной основы; 3) реализации положительного градиента механических свойств, когда на поверхности твердого тела (в данном случае твердого сплава) наличествует более пластический слой (в данном случае это аморфный слой на поверхности износостойкого покрытия), в котором локализуются сдвиговые деформации, возникающие при трении в условиях резания.

Для реализации заявляемого способа упрочнения особое значение имеют выбор толщины и состава покрытия, что обусловлено возможностью твердорастворного упрочнения твердосплавной матрицы за счет эффективного перемешивания элементов покрытия и компонентов твердого сплава, а также генерация динамических напряжений, способствующих деформационному упрочнению приповерхностных слоев матрицы. Наиболее эффективными оказались покрытия состава TiN, TiC, TiAl толщиной 0,1-4 мкм.

Способ поясняется графиками, приведенными на фиг. 1-2, где на фиг. 1 представлена зависимость скорости изнашивания режущих пластин, подвергнутых ионно-лучевой и комплексной обработке при резании стали 40Х, а на фиг. 2. представлены микрофотографии и микроэлектроннограммы структуры износостойкого покрытия после облучения мощным ионным пучком с плотностью тока j=150 А/см², полученные при помощи просвечивающей электронной микроскопии. На фиг. 1 представлена зависимость скорости изнашивания модифицированных инструментов из Т15К6 при резании стали 40Х; скорость резания v = 200 м/мин; S = 0,07 мм/об; t = 1 мм, где позицией 1 обозначена зависимость скорости изнашивания необработанного сплава Т15К6; позицией 2 - модифицированного мощным импульсным ионным пучком (МИП) при плотности тока j = 50 А/см² сплава Т15К6; позицией 3 - модифицированного МИП при плотности тока j = 100 А/см² сплава Т15К6; позицией 4 - модифицированного МИП при плотности тока j=150 А/см² сплава Т15К6; позицией 5 - модифицированного комплексной обработкой КИБ+МИП при плотности тока j=50 А/см² сплава Т15К6; позицией 6 - модифицированного комплексной обработкой КИБ+МИП при плотности тока j = 100 А/см² сплава Т15К6; позицией 7 - модифицированного комплексной обработкой КИБ+МИП при плотности тока j = 150 А/см² сплава Т15К6. На фиг. 2 изображение "а" показывает образование аморфного слоя на поверхности покрытия; изображение "б" - приповерхностный слой, Х200000; изображение "в, г, д" - промежуточный слой, X180000; изображение "г" - темно-польное изображение в рефлексе (110) Ti₂N.

Способ обработки режущего инструмента осуществлялся следующим образом:

Пример. Режущие пластины из сплава Т15К6 помещали в вакуумную термическую печь. Затем проводили термический отжиг твердосплавных пластин при температуре 600^oC в течение 1 часа. После отжига пластины помещали в рабочую камеру установки ННВ-6 и наносили покрытие состава TiN. Напряжение на подложке составляло 300 В, ток на катоде был равен 120А. Ионно-плазменную обработку проводили в течение 30 минут. Затем режущие пластины устанавливали в приспособление, находящееся в вакуумной камере технологического ускорителя "Темп", и облучали мощным импульсным ионным пучком состава C⁺ и H⁺ с длительностью 50 нс, энергией 300 кэВ и плотностью тока 50-150 А/см².

Модифицированные твердосплавные пластины испытывали в условиях продольного точения стали 40Х при скоростях резания 55-300 м/мин. Подача принималась равной 0,07 мм/об. Глубина резания составляла 1 мм. Износостойкость пластин, подвергнутых комплексной обработке, оценивалась в сравнении с режущими пластинами в исходном состоянии и после облучения мощным ионным пучком. При построении зависимостей контролировалась фаска износа по задней поверхности инструмента. Как видно из фиг. 1, комплексная обработка на оптимальных режимах (позиция 7) обеспечивает повышение износостойкости режущего инструмента при точении стали 40х в 2 раза. При использовании режущих пластин из сплава группы ВК и при нанесении покрытий состава TiC и TiAl режимы упрочняющей обработки инструментального материала аналогичны приведенным в примере.