Инструмент деформации с многослойным покрытием

Полезная модель относится к электрофизическим и электрохимическим методам обработки и может быть использована для повышения износостойкости, восстановления размеров, упрочнения и повышения коррозионной стойкости инструмента деформации. Техническим результатом полезной модели является повышение работоспособности и стойкости инструмента деформации. Технический результат достигается тем, что на поверхность инструмента деформации специальными электродами нанесено упрочняющее покрытие в виде двух легирующих электроэрозионных слоев, имеющих разную твердость, причем для формирования первого слоя используют электрод из сплава, содержащего, масс.%: никель 60-70, хром 30-40, а для формирования второго слоя в качестве материала электрода используют хром, кроме того вибрирующий электрод обдувается охладителем, в качестве охладителя используют сжатый воздух или нейтральный газ, также формирование первого слоя проводят до достижения толщины в пределах 0,35-0,65 общей толщины электроэрозионного покрытия.

Полезная модель относится к электрофизическим и электрохимическим методам обработки и может быть использована для повышения износостойкости, восстановления размеров, упрочнения и повышения коррозионной стойкости инструмента деформации.

Известен способ упрочнения инструмента из быстрорежущей стали, включающий насыщение из обмазки, содержащей, %:

ферротитан 50-60, карбид бора 20-30, краснокровяная соль 15-25, хлористый аммоний 2-3, и последующий трехкратный отпуск совместно с сульфидированием в герметическом муфеле в среде сульфата натрия при 550-570°С в течении 1 ч.

Перед насыщением из обмазки инструмент шлифуют, затачивают и подвергают цементации при 980-1020°С с выдержкой в течение 1,5 ч. и охлаждением вместе с муфелем, состав обмазки разводят в этилсиликате до получения сметанообразной пасты, а в качестве ферротитана используют FeTi - 75 (П-2172360, 7 C23C 12/00, C23F 17/00, опубл. 2001.08.20).

Недостатком данного способа является его сложность воспроизводства и невысокая прочность сцепления наносимого покрытия с материалом инструмента.

Известны способы упрочнения инструментов, заключающиеся в том, что на предварительно подготовленную поверхность наносится износостойкое покрытие из нитрида титана, при этом образуется переходная зона между поверхностью инструмента и покрытием, величина которой влияет на сцепление покрытия с материалом инструмента (П-2062817, C23C 14/00, 14/26, опубл. 1996.06.27.). Недостатком данного способа является то, что такой способ требует нагрева упрочняемого инструмента, а с ростом температуры увеличивается толщина переходной зоны, что приводит к снижению прочности покрытия.

Известен инструмент с многослойным покрытием, содержащий инструментальную основу из твердого сплава и нанесение на нее трехслойного износостойкого ионно-плазменного покрытия, состоящего из верхнего слоя покрытия нитрида титана и нижнего слоя карбонитрида титана (пол. модель №23076, 7 C23C 14/32, опубл. 2002.05.20).

Наиболее близким к предлагаемому является 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 бомбандировке.

В качестве материала промежуточного слоя выбран нитрид титана-алюминия TiAIN или нитрид титана-циркония NiZrN (пол. модели №№37721, 37722, 7 C23C 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.

Наибольший интерес при этом представляют методы, с помощью которых достигается значительное упрочнение поверхностных слоев инструмента. Основным достоинством поверхностной обработки инструмента является сочетание высокой твердости и прочности поверхностного слоя с вязкостью и высокой пластичностью основы изделия.

Значительный эффект поверхностного упрочнения достигается за счет повышения не только твердости, но и износо- и коррозионной стойкости рабочей поверхности инструмента деформации.

Для реализации указанных достоинств в промышленных условиях представляют интересы методы упрочнения концентрированными потоками энергии, в том числе с использованием электрических разрядов.

Наиболее простым при этом является способ электроэрозионного легирования.

Электроэрозионное легирование особенно эффективно для повышения износостойкости инструмента деформации в условиях острейшего дефицита инструментальных сталей.

Технической результатом полезной модели является повышение работоспособности и стойкости инструмента деформации.

Технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что на поверхность инструмента деформации специальными электродами нанесено покрытие в виде двух легирующих электроэрозионных слоев, имеющих разную твердость, причем для формирования первого слоя используют электрод из сплава, содержащего, мас.%: никель 60-70, хром 30-40, а для формирования второго слоя в качестве материала электрода используют хром, кроме того вибрирующий электрод обдувается охладителем, в качестве охладителя используют сжатый воздух или нейтральный газ, также формирование первого слоя проводят до достижения толщины наносимого покрытия в пределах 0,35-0,65 общей толщины электроэрозионного покрытия.

Полезная модель поясняется чертежом - фиг.1, на котором показан инструмент деформации с электроэрозионным покрытием.

Инструмент деформации состоит из основного материала 1, выполненного из инструментальной стали и нанесенного электроэрозионного покрытия в виде двух слоев 2 и 3, выполненных из разных материалов и имеющих разную твердость.

Для осуществления предлагаемого технического решения обрабатываемый инструмент деформации 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.

Преимущество заявляемого технического решения заключается в том, что качественный и количественный состав теплопроводного материала, используемого в качестве первого слоя, обеспечивает образование неограниченного твердого раствора с материалом инструмента, а состав второго слоя образует неограниченный твердый раствор с материалом первого слоя, что в первом и во втором случае обеспечивает хорошую сцепляемость.

Первый слой покрытия, имеющий высокую жаростойкость до 1000°С и теплопроводность, соответствующую материалу детали инструмента, обеспечивает изменение внутреннего напряжения растяжения и напряжения сжатия, а также равномерность распределения толщины слоя покрытия.

Материал второго слоя обеспечивает повышенную износостойкость, локализацию пор покрытия (улучшает сплошность покрытия) и способствует быстрому периоду приработки.

В момент соприкосновения электрода с деталью инструмента возникают большие токи короткого замыкания и электрод начинает греться, и, если не производить охлаждение, то электрод может раскалиться и будет происходить налипание капелек материала электрода на инструмент.

Кроме того происходит окисление нагретого электрода за счет взаимодействия с кислородом воздуха, что приводит к быстрому износу электрода.

Для устранения этого недостатка предлагается производить охлаждение электрода охладителем. В качестве охладителя используют сжатый воздух или нейтральный газ, который подают к электроду через специальное сопло.

Исследования режимов электроэрозионного легирования инструмента деформации из инструментальных марок сталей с применением тугоплавких электродов типа ВК6, ВК8, ВК15, Т15К6, Cr, Ni, сормайт и др., показали, что наилучший эффект упрочнения инструмента был достигнут при нанесении первого (нижнего) слоя покрытия из электрода, состоящего из сплава содержащего, масс.%: никель 60-70, хром 30-40, а для формирования второго слоя в качестве материала электрода используют хром, при этом вибрирующий электрод обдувается охладителем, а в качестве охладителя используют сжатый воздух или нейтральный газ. Кроме того формирование первого слоя проводят до достижения толщины наносимого покрытия в пределах 0,35-0,65 от общей толщины нанесенного электроэрозионного покрытия.

Пример

Электроискровое покрытие режущего инструмента проводили при следующих параметрах:

Было установлено, что общий уровень износостойкости инструмента деформации, упрочненного указанными сплавами, оказался значительно выше, чем у неупрочненных термозакаленных контрольных образцов.

Эффективность упрочненного инструмента деформации определяли по величине коэффициента повышения стойкости, определяемого как отношение стойкости инструмента с покрытием по заявляемому техническому решению к стойкости инструмента с покрытием по методу способа - прототипа и к стойкости инструмента без упрочнения. При нанесении электроэрозионного покрытия в зону контакта электрода с инструментом через специальное сопло подавали сжатый газ. Используя микроскоп типа МПБ-2 с 24-х кратным увеличением установили, что вся поверхность имела равномерное электроэрозионное покрытие, между отдельными участками разрывов не наблюдалось.

Данные по износостойкости приведены в таблице №1.

Как видно из приведенных в таблице №1 данных, коэффициент износостойкости инструмента деформации, обработанного по предлагаемому техническому решению выше в 1,39-1,63 раза в сравнении с обычным термозакаленным инструментом без упрочнения и в 1,26 раза выше, чем обработанные по способу - прототипу. Предлагаемое техническое решение позволяет существенно повысить стойкость инструмента деформации, а также сократить расход дорогостоящих инструментальных материалов, что существенно повышает эффективность применения инструмента.

Согласно таблицы №2 наилучшие показатели по стойкости инструмента были достигнуты при нанесении двух электроэрозионных слоев, причем нижний слой выполняют на основе материалов Ni+Cr с содержанием элементов в % 60 на 40, а верхний слой выполняют из материала Cr, кроме того толщина первого электроэрозионного слоя находится в пределах 0,35-0,65 общей толщины электроэрозионного покрытия. Данные показатели были достигнуты опытно-практическими проработками предлагаемого технического решения.

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.

1. Инструмент деформации с многослойным покрытием, содержащий инструментальную основу из твердого сплава и нанесенное на него упрочняющее износостойкое покрытие из сплавов и металлов, отличающийся тем, что упрочняющее покрытие выполнено в виде двух электроэрозионных слоев, имеющих разную твердость, причем для формирования первого слоя используют электрод из сплава, содержащего, мас.%: никель 60-70, хром 30-40, а для формирования второго слоя в качестве материала электрода используют хром, кроме того, вибрирующий электрод обдувается охладителем.

2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что в качестве охладителя используют сжатый воздух или нейтральный газ.

3. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что формирование первого слоя проводят до достижения толщины наносимого покрытия в пределах 0,35-0,65 общей толщины электроэрозионного покрытия.