Инструмент деформации с защитным покрытием

Полезная модель относится к электрофизическим и газотермическим методам обработки металлов и может быть использована для повышения износостойкости, восстановления размеров, упрочнения и повышения коррозионной стойкости любого инструмента, в частности режущего инструмента и инструмента деформации. Техническим результатом полезной модели является увеличение прочности сцепления защитного покрытия с подложкой инструмента деформации. Технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что на поверхность инструмента деформации специальными электродами нанесено упрочняющее защитное покрытие в виде легирующего электроэрозионного слоя и нанесенного на него плазменного покрытия, причем электроэрозионное легирование проводят в среде азота с соблюдением следующих режимов: удельная производительность 1,0-2,5 мин/см², напряжение холостого хода 60-120 В, ток разряда 0,5-3,5 А, энергия импульсного разряда 1,0-10,0 Дж, частота вибрации 50-100 Гц, амплитуда вибрации электрода 20-70 мкм.

Полезная модель относится к электрофизическим и газотермическим методам обработки и может быть использована для повышения износостойкости, восстановления размеров, упрочнения и повышения коррозионной стойкости любого инструмента, в частности режущего инструмента и инструмента деформации.

Известен способ электроискрового легирования (ЭИЛ) электродом-инструментом, содержащим никель и алюминий, осуществляемый в среде жидкого диэлектрика (А.с. СССР 1521542, Кл. В23Н 9/00, С23С 4/00, 1989).

Ведение процесса ЭИЛ в среде жидкого диэлектрика требует последующей очистки поверхности перед газотермическим напылением, что снижает эффект от ЭИЛ. Кроме того, не учитывается состав порошка для напыления при выборе электрода-инструмента.

Известен способ подготовки поверхности перед напылением газотермических покрытий, включающий создание рельефа электроискровым легированием низкомодульными и высокопластичными материалами посредством нанесения дугообразных валиков (А.с. СССР 1673635, кл. С23С 4/02, 1991).

Недостатком данного способа является осуществление процесса ЭИЛ в среде воздуха. Ведение процесса ЭИЛ на воздухе приводит к образованию на поверхности оксидов металлов, входящих в состав электрода, используемого при подготовке поверхности. Наличие оксидов на поверхности приводит к образованию участков, не участвующих к образовании адгезионной связи с газотермическим покрытием.

Известен инструмент с многослойным покрытием, содержащий инструментальную основу из твердого сплава и нанесенное на нее трехслойное износостойкое ионно-плазменное покрытие, состоящее из внешнего слоя покрытия нитрида титана TiN, нижнего слоя карбонитрида титана TiCN и дополнительно содержащий промежуточный слой, подвергнутый ионной бомбардировке.

В качестве материала промежуточного слоя выбран нитрид титана -алюминия TiAlN или нитрид титана - циркония NiZrN (пол. модели 37721,37722, 7 С23С 14/32, опубл. 2004.05.10).

Основными недостатками таких покрытий является то, что упрочняющие покрытия, обладающие хорошей адгезией к

инструментальному материалу, имеют относительно низкую твердость и уровень сжимающих напряжений, либо имеют высокую микротвердость, но недостаточную прочность сцепления с инструментальной основой. В результате этого покрытие легко подвергается абразивному износу, в нем быстро зарождаются и распространяются трещины, приводящие к разрушению покрытия, что снижает стойкость инструмента деформации.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является полезная модель 60014, опубликованная 10.01.2007 г.

Согласно полезной модели на инструмент деформации, выполненный из инструментальной основы, нанесено упрочняющее покрытие в виде двух электроэрозионных слоев, причем для формирования первого слоя используют электрод из сплава, содержащего, масс.%: никель 22-30; хром 14-20; углерод 0,07-0,20; остальное железо, а для формирования второго слоя в качестве материала электрода используют хром, кроме того, вибрирующий электрод обдувается охладителем.

Недостатком известного покрытия является то, что обдув электрода охладителем через подведенное сопло не исключает контакта кислорода воздуха с обрабатываемой деталью и приводит к образованию на обрабатываемой поверхности оксидов металлов, входящих в состав электрода, используемого при ЭИЛ. Наличие окислов на поверхности приводит к образованию участков, не участвующих в образовании адгезионной связи с газотермическим покрытием.

Техническим результатом полезной модели является увеличение прочности сцепления защитного покрытия с подложкой инструмента деформации.

Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении прочности сцепления защитного покрытия с поверхностью инструмента деформации по сравнению с подготовкой поверхности перед нанесением покрытия на воздухе.

Технический результат достигается тем, что ЭИЛ производят в среде азота с соблюдением следующих режимов: напряжении холостого хода 60-120 В, токе разряда 0,5-3,5 А, энергии импульсного разряда 1,0-10,0 Дж, частоте вибрации электрода-инструмента 50-100 Гц и амплитуде вибрации электрода 20-70 мкм при удельной продолжительности легирования 1,0-2,5 мин/см².

Затем на легированную поверхность инструмента деформации известным способом наносят плазменное покрытие.

Для легирования используют электроды из материала, соответствующего составу порошка, используемого при напылении покрытия.

Полезная модель поясняется чертежом - фиг.1, на котором показан инструмент с электроэрозионным и плазменным покрытиями.

Инструмент состоит из основного материала 1, выполненного из инструментальной стали и с нанесенными на него электроэрозионным 2 и плазменным 3 покрытиями.

Для осуществления предлагаемого технического решения обрабатываемый инструмент подвергают электроэрозионной обработке известными способами. В зависимости от исходных физико-химических свойств обрабатываемой поверхности устанавливают режимы обработки и вид легирующего материала-электрода.

В процессе электроэрозионного упрочнения материал электрода переносится на обрабатываемую поверхность инструмента, образуя слой высокопрочного покрытия из легирующего материала.

Осуществление процесса ЭИЛ в среде азота обеспечивает защиту зоны легирования от кислорода и, как следствие, отсутствие явления окисления расплавленного в точке искрового разряда материала. Это уменьшает пористость и улучшает чистоту поверхности.

ЭИЛ с меньшей, чем 1,0 мин/ см² удельной продолжительностью, приводит к недостаточному проникновению материала электрода в поверхностный слой изделия, что приводит к появлению переходной зоны между его поверхностью и плазменным покрытием, с обусловленным этим обстоятельством снижением свойств покрытия. Если же удельная продолжительность более 2,5 мин/см², то происходит разрушение легированного слоя.

Режимы ЭИЛ, включающие удельную продолжительность 1,0-2,5 мин/см², напряжение холостого хода 60-120 В, ток разряда 0,5-3,5 А, энергию импульсного разряда 1,0-10,0 Дж, частоту вибрации электрода 50-100 Гц и амплитуду вибрации электрода 20-70 мкм обеспечивают получение поверхности с оптимальными свойствами.

Выход за указанные пределы тока и амплитуды колебаний приводит либо к недостаточному, либо к избыточному переносу материала электрода в поверхностный слой инструмента деформации, что является причиной повышенной шероховатости поверхности и разрушения поверхностного слоя. Кроме того, указанные значения параметров ЭИЛ

являются оптимальными с точки зрения остаточных напряжений, величина которых не превышает 10-25 МПа.

Несоблюдение указанных параметров ЭИЛ может снизить адгезионную прочность плазменных покрытий до 25 МПа. Состав компонентов электрода обеспечивает идентичность состава порошка для напыления покрытия и поверхности инструмента после ЭИЛ, что положительно влияет на прочность сцепления плазменного покрытия с подложкой.

Пример

Опытное опробование предлагаемого технического решения проводили на матрицах для прессования титановых слитков. Предложенным решением была упрочнена партия матриц в количестве 35 шт.

Материал покрытия - смесь порошков ПН85Ю15 и ПР - НД42СР в соотношении 2:1. Основными составляющими этой порошковой смеси являются никель и алюминий, следовательно, материал электрода для ЭИЛ- порошковая проволока, содержащая 85-90% никеля и 10-15% алюминия.

Осуществляют ЭИЛ поверхности матриц в среде азота с соблюдением указанных выше режимов. После ЭИЛ на поверхность матриц наносят плазменное покрытие.

Было установлено, что общий уровень износостойкости инструмента деформации, упрочненного указанными сплавами, оказался значительно выше, чем у контрольных образцов упрочненных по технологии прототипа.

Толщину нанесенного покрытия измеряли толщиномером МТ-41 НЦ, сплошность - микроскопом МИМ-8. Износостойкость покрытий определяли на стенде для испытания по схеме "вал-втулка" с частотой возвратно-вращательного движения вала 2,1 Гц, давлением в зоне контакта 27 МПа, углом качания 55° при скорости скольжения 6,5 см/с, использовали смазку ЦИАТИМ-200. Массу до и после испытаний измеряли на аналитических весах, коэффициент трения измеряли тензометрическим устройством.

Эффективность упрочненного инструмента деформации определяли по величине коэффициента повышения стойкости, определяемого как отношение стойкости инструмента деформации с покрытием к стойкости инструмента деформации с покрытием по методу способа-прототипа.

В результате опытных опробований прочность получаемого покрытия достигает 130-150 МПа, что на 15-25% больше адгезионной прочности покрытия, нанесенного на поверхность, подвергнутую ЭИЛ на воздухе.

Предлагаемое техническое решение позволяет существенно повысить стойкость инструмента деформации, а также сократить расход дорогостоящих инструментальных материалов, что существенно повышает эффективность применения инструмента деформации.

Таким образом заявляемое техническое решение полностью выполняет поставленную задачу.

Достоинством данного технического решения является:

- высокая прочность сцепления нанесенного материала электрода с инструментальной основой за счет взаимного диффузионного механического перемешивания;

- возможность локального нанесения покрытия без специальной защиты остальной поверхности;

- отсутствие изменений физико-механических свойств деталей.

Инструмент деформации с защитным покрытием, содержащий металлическую основу из инструментальной стали и нанесенное на нее упрочняющее электроэрозионное покрытие, отличающийся тем, что упрочняющее покрытие выполнено из электроэрозионного легирующего слоя и нанесенного на него плазменного покрытия, причем электроэрозионное легирование проводят в среде азота с соблюдением следующих режимов: удельная продолжительность легирования 1,0-2,5 мин/см², напряжение холостого хода 60-120 В, ток разряда 0,5-3,5 А, энергия импульсного разряда 1,0-10,0 Дж, частота вибрации электрода 50-100 Гц и амплитуда вибрации электрода 20-70 мкм.