[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2824444C1 - Способ изготовления режущего инструмента с износостойким коррозионно-устойчивым покрытием - Google Patents

Способ изготовления режущего инструмента с износостойким коррозионно-устойчивым покрытием Download PDF

Info

Publication number
RU2824444C1
RU2824444C1 RU2024106822A RU2024106822A RU2824444C1 RU 2824444 C1 RU2824444 C1 RU 2824444C1 RU 2024106822 A RU2024106822 A RU 2024106822A RU 2024106822 A RU2024106822 A RU 2024106822A RU 2824444 C1 RU2824444 C1 RU 2824444C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coating
resistant
titanium
wear
tic
Prior art date
Application number
RU2024106822A
Other languages
English (en)
Inventor
Иван Геннадьевич Жевтун
Павел Сергеевич Гордиенко
Александр Иванович Никитин
Софья Борисовна Ярусова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН)
Application granted granted Critical
Publication of RU2824444C1 publication Critical patent/RU2824444C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к технологии металлообработки, а именно к изготовлению ручных режущих инструментов типа лезвий с износостойким коррозионно-устойчивым композиционным покрытием, предназначенных для работы в коррозионно-активной среде, в частности, к изготовлению хирургических скальпелей для работы в среде человеческого организма, а также к изготовлению «дайверских» ножей и других режущих инструментов, используемых при подводных работах в морской воде. На инструментальной основе из титана или его сплава формируют износостойкое коррозионно-устойчивое композиционное покрытие на основе Ti-TiC. Нанесение указанного покрытия осуществляют в два этапа. На первом этапе осуществляют плазменно-химическую обработку в 0,1-0,2% водном растворе NaCl посредством возбуждения дуговых разрядов между катодно-поляризованной инструментальной основой и равномерно перемещаемым над ней со скоростью, не превышающей 3 мм/с, графитовым анодом, при этом сила тока дугового разряда составляет 40-80 А. Затем на втором этапе производят лазерную наплавку порошка карбида титана TiC на сформированный плазменно-химической обработкой слой покрытия путем перемещения по его поверхности лазерного пучка с одновременной коаксиальной подачей порошка TiC и обдувкой расплавленного объема аргоном. В завершение покрытие подвергают механической обработке - шлифованию. Достигается повышение качества режущего инструмента с композиционным износостойким коррозионно-устойчивым покрытием за счет регулирования толщины последнего, формирования его с бездефектной поверхностью и равномерным распределением близких по размеру и морфологии зерен карбида титана TiC в титановой матрице. 2 ил., 2 пр.

Description

Изобретение относится к технологии металлообработки и может найти применение при изготовлении ручных режущих инструментов типа лезвий, предназначенных для работы в коррозионно-активной среде, в частности, хирургических скальпелей, «дайверских» ножей, других режущих инструментов, используемых при подводных работах в море.
Титан, благодаря своей высокой коррозионной стойкости и малой удельной плотности, находится на первом месте при выборе материала для инструментальной основы режущего инструмента. Однако, режущая способность лезвия, выполненного из титана либо его сплава, является недостаточно высокой из-за присущей титану вязкости, склонности к схватыванию и задирам.
Известные способы изготовления режущих инструментов с износостойким покрытием на инструментальной основе, выполненной из титана, не всегда обеспечивают должные качества покрытия (долговечность, коррозионную стойкость, высокую адгезию к подложке, шероховатость и зерновую структуру), соответствующие назначению указанных инструментов, при этом они, как правило, часто являются многоступенчатыми, энергоемкими, требуют сложного аппаратурного оформления.
Известен способ (RU 2454311, опубл. 2012.06.27) изготовления режущего инструмента в виде титанового диска с нанесенным на его цилиндрическую поверхность при помощи дугового разряда содержащим карбид титана износостойким покрытием. Известный способ предусматривает размещение в емкости с дистиллированной водой титанового диска и графитового электрода, подведение электрического тока и нанесение покрытия при силе тока возникающей электрической дуги от 150 до 500-600 А в течение трех оборотов обрабатываемого диска, вращающегося со скоростью 12,5-25,0 об/мин, с сохранением зазора между ним и графитовым электродом, достаточного для поддержания электрической дуги и формирования покрытия, содержащего поверхностный слой толщиной 25-50 мкм из карбида титана TiC и переходный слой смешанного состава толщиной 50-200 мкм. Локальный перегрев и эрозия обрабатываемого металла, недостаточная стабильность дугового разряда в результате проведения процесса при высоких значениях силы тока в сочетании с хаотическими пробоями межэлектродного промежутка, порождаемыми высокой скоростью движения обрабатываемого титанового диска, приводят к формированию неравномерного покрытия с высокой шероховатостью и 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 у деталей из высокопрочных, в том числе металлических, материалов. Грубая неровная поверхность с абразивными свойствами при незначительной общей толщине покрытия (с промежуточным подслоем до 200 мкм) затрудняют дальнейшую механическую обработку и изготовление режущего инструмента с тонкой режущей кромкой.
Наиболее близким к предлагаемому является (RU 2532582, опубл. 2014.08.27) способ изготовления ручного режущего инструмента типа лезвия с композиционным износостойким коррозионно-устойчивым покрытием. Согласно известному способу, композиционное покрытие из карбида титана в титановой матрице формируют на инструментальной основе из титана либо его сплава плазменно-химической обработкой с помощью дугового разряда при катодной поляризации инструментальной основы и силе тока 50-100 А с использованием графитового анода, равномерно перемещаемого над ней со скоростью не более 1 мм/с, в водном растворе, содержащем 0,1-0,2 мас. % NaCl. Известный способ способен обеспечить изготовление режущего инструмента, сочетающего высокую коррозионную стойкость и малый вес с высокой режущей способностью и износостойкостью. При этом он сравнительно прост в осуществлении, не требует сложного и дорогостоящего аппаратурного оснащения.
Вместе с тем, известному способу присущи следующие недостатки, обусловленные обработкой в дуговом разряде: отсутствие возможности регулировать толщину формируемого покрытия, его структуру, а также размеры и равномерность распределения содержащихся в нем зерен карбида титана. В результате формируется покрытие неравномерной толщины с шероховатым поверхностным слоем и значительным количеством поверхностных макро- и микродефектов: проплавлений, каверн, микротрещин, что отрицательно сказывается на качествах режущего инструмента, препятствуя достижению высоких режущих свойств.
Задачей изобретения является создание способа изготовления режущего инструмента высокого качества с композиционным износостойким коррозионно-устойчивым покрытием на инструментальной основе, выполненной из титана либо его сплава, обладающего высокими режущими свойствами.
Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении качества режущего инструмента с композиционным износостойким коррозионно-устойчивым покрытием за счет регулирования толщины последнего и формирования бездефектной поверхности с равномерным распределением близких по размеру и сходных по морфологии зерен карбида титана в титановой матрице.
Указанный технический результат достигают способом изготовления режущего инструмента с композиционным износостойким коррозионно-устойчивым покрытием из карбида титана в титановой матрице, формируемым на инструментальной основе из титана или его сплава в 0,1-0,2% водном растворе NaCl с помощью дуговых разрядов, возбуждаемых между катодно-поляризованной инструментальной основой и равномерно перемещаемым над ней графитовым анодом, в котором, в отличие от известного способа, процесс проводят в два этапа, при этом на первом этапе инструментальную основу подвергают плазменно-химической обработке посредством возбуждения дуговых разрядов при силе тока 40-80 А, затем - на втором этапе - производят лазерную наплавку порошка карбида титана на сформированный в дуговом разряде слой путем перемещения по его поверхности лазерного пучка с одновременной коаксиальной подачей порошка TiC и обдувкой инертным газом расплавленного объема и в завершение проводят механическую обработку покрытия.
В преимущественном варианте осуществления способа в качестве инертного газа используют аргон.
Способ осуществляют следующим образом.
На инструментальную основу, представляющую собой заготовку преимущественно в виде клинка, вырезанную из листа титана либо его сплава и заточенную для создания режущей кромки, в два этапа наносят композиционное покрытие из карбида титана в титановой матрице, при этом на первом этапе осуществляют плазменно-химическую обработку инструментальной основы в электродуговом разряде, возбуждаемом в установке, представленной на фиг. 1.
Выполненную из титана либо его сплава подготовленную инструментальную основу 1 помещают в установку, содержащую емкость 2 из непроводящего материала с электролитом 3, представляющем собой 0,1-0,2% водный раствор NaCl. Режущую кромку инструментальной основы 1 обрабатывают, возбуждая с помощью графитового анода 4 с обеих сторон клинка дуговой разряд 5 в соответствии с полярностью, показанной на схеме. Анод 4 равномерно перемещают над катодно-поляризованной инструментальной основой 1 со скоростью не более 3,0 мм/с, преимущественно 1-2 мм/с. В результате воздействия дугового разряда 5 на поверхности режущей кромки формируется композиционный слой 6, содержащий включения карбида титана, хаотично расположенные в объеме упомянутого слоя.
Описанную выше плазменно-химическую обработку в дуговом разряде проводят при силе тока 40-80А, при этом характер протекания разряда контролируют визуально по стабильности его свечения и выделению газовых пузырьков в зоне разряда.
На втором этапе на слой покрытия, полученный в ходе плазменно-химической обработки, наносят методом лазерной наплавки порошок карбида титана с формированием износостойкого композиционного слоя Ti-TiC регулируемой толщины.
Лазерную наплавку осуществляют путем перемещения лазерного пучка по поверхности сформированного на первом этапе слоя покрытия с одновременной коаксиальной подачей порошка TiC и обдувкой расплавленного объема аргоном. Порошок TiC, содержащий частицы размером 80-100 мкм, коаксиально подаваемый струей транспортирующего газа (аргона), под воздействием пучка лазерных лучей вплавляется в нанесенный слой покрытия.
Для лазерной обработки на втором этапе используют соответствующее оборудование, преимущественно универсальный роботизированный комплекс лазерной порошковой наплавки, в состав которого входит робот KUKA KR 30-ЗНА, система управления KUKA KRC4, позиционер KUKA DKP-400 и иттербиевый волоконный лазер ЛС-1-К, мощность непрерывного лазерного излучения которого составляет от 100 до 1000 Вт (длина волны λ=1,070 мкм).
Основные параметры обработки: диаметр лазерного пучка - 0,6 мм, шаг смещения пучка между двумя проходами - 0,5 мм, расстояние от плоскости сопла, подающего порошок карбида титана TiC, до обрабатываемого объекта - 15 мм, скорость перемещения лазерного пучка по поверхности 15-30 мм/с, мощность лазерного излучения Р=200-400 Вт.
Дополнительные параметры процесса:
давление защитного газа (аргон) Р=0,35 МПа; расход - 40 л/мин. давление обжимающего газа (аргон) Р=0,35 МПа; расход - 10 л/мин. Параметры порошкового питателя:
давление транспортирующего газа Р=0,15 МПа; расход - 5 л/мин; режим работы - 12 об/мин.
Основные рабочие параметры аппаратурного оснащения являются настраиваемыми и допускают изменение в достаточно широких пределах, при этом основные и дополнительные параметры процесса лазерной обработки также могут быть соответствующим образом отрегулированы.
Благодаря этому, второй этап обработки обеспечивает выравнивание и сглаживание поверхности получаемого покрытия, позволяет регулировать толщину наносимого слоя с точностью до 10-20 мкм. Таким образом, в итоге толщина наплавляемого слоя, регулируемая путем изменения параметров лазерной обработки, может составлять от 50 до 600 мкм.
В результате лазерной наплавки, благодаря устранению поверхностной шероховатости, заплавлению макро- и микродефектов, наблюдается общее сглаживание поверхности режущего инструмента, За счет возможности использования на втором этапе порошка карбида титана TiC выбранной дисперсности и определенной морфологии обеспечивается выравнивание размеров и морфологии зерен карбида титана в сформированном покрытии и более равномерное их распределение.
На фиг. 2 показана поверхность титанового образца: а) после электродуговой обработки; б) после двухэтапной обработки предлагаемым способом - в дуговом разряде, затем лазерной наплавкой порошка карбида титана с последующим механическим шлифованием.
Снимки получены на сканирующем электронном микроскопе ZeisEVO 40XVP с приставкой для энергодисперсионного анализа INCA 350 Energy (масштаб линейки - 200 мкм).
Примеры конкретного осуществления способа
Пример 1
Заготовку (инструментальную основу) режущего инструмента из листа титанового сплава ВТ1-0 погружали в непроводящую емкость (фиг. 1), заполненную электролитом. Обработку проводили посредством возбуждения дуговых разрядов с обеих сторон клинка в соответствии с полярностью, показанной на схеме фиг. 1, используя графитовый анод. Электролит - 0,2% водный раствор NaCl. Сила тока в цепи - 40 А, диаметр графитового анода - 6 мм, скорость перемещения анода - 1 мм/с.
Затем производили лазерную обработку полученного композиционного слоя с наплавкой порошка TiC. Мощность лазерного излучения - 250 Вт, скорость перемещения лазерного пучка - 20 мм/с. Прочие указанные выше параметры лазерной обработки оставлены без изменений.
Пример 2
Заготовку из титанового сплава ВТ1-0 подвергали плазменно-химической обработке в дуговом разряде аналогично примеру 1. Сила тока в цепи - 80 А, диаметр анода - 8 мм, скорость перемещения графитового анода - 2 мм/с.
Далее производили лазерную обработку полученного композиционного слоя с наплавкой порошка TiC. Мощность лазерного излучения - 350 Вт, скорость перемещения лазерного пучка - 30 мм/с. Прочие указанные параметры лазерной обработки оставлены без изменений.
Во всех случаях после лазерной обработки производили финишную заточку лезвия.

Claims (1)

  1. Способ изготовления режущего инструмента с износостойким коррозионно-устойчивым композиционным покрытием на основе Ti-TiC, формируемым на инструментальной основе из титана или его сплава, включающий плазменно-химическую обработку в 0,1-0,2% водном растворе NaCl посредством возбуждения дуговых разрядов между катодно-поляризованной инструментальной основой и равномерно перемещаемым над ней со скоростью, не превышающей 3 мм/с, графитовым анодом, отличающийся тем, что процесс изготовления осуществляют в два этапа, при этом плазменно-химическую обработку осуществляют на первом этапе при силе тока дугового разряда 40-80 А, затем на втором этапе производят лазерную наплавку порошка карбида титана TiC на сформированный плазменно-химической обработкой слой покрытия путем перемещения по его поверхности лазерного пучка с одновременной коаксиальной подачей порошка TiC, обдувкой расплавленного объема аргоном и завершающей механической обработкой.
RU2024106822A 2024-03-14 Способ изготовления режущего инструмента с износостойким коррозионно-устойчивым покрытием RU2824444C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2824444C1 true RU2824444C1 (ru) 2024-08-07

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3970236B2 (ja) * 2002-11-07 2007-09-05 独立行政法人科学技術振興機構 パルス放電によるプラズマ化学気相成長法およびプラズマ化学気相成長装置
RU2454311C2 (ru) * 2009-04-21 2012-06-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ГОУВПО "КнАГТУ") Способ получения титанового диска с покрытием карбида титана
RU2468124C1 (ru) * 2011-08-16 2012-11-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Способ нанесения комбинированных pvd/cvd/pvd покрытий на режущий твердосплавный инструмент
RU2532582C2 (ru) * 2013-02-21 2014-11-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) Способ изготовления режущего инструмента с композитным износостойким покрытием
RU2647963C2 (ru) * 2016-08-03 2018-03-21 Общество с ограниченной ответственностью "ТБ композит" Композиционный материал на основе титанового сплава и способ его получения

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3970236B2 (ja) * 2002-11-07 2007-09-05 独立行政法人科学技術振興機構 パルス放電によるプラズマ化学気相成長法およびプラズマ化学気相成長装置
RU2454311C2 (ru) * 2009-04-21 2012-06-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ГОУВПО "КнАГТУ") Способ получения титанового диска с покрытием карбида титана
RU2468124C1 (ru) * 2011-08-16 2012-11-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Способ нанесения комбинированных pvd/cvd/pvd покрытий на режущий твердосплавный инструмент
RU2532582C2 (ru) * 2013-02-21 2014-11-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) Способ изготовления режущего инструмента с композитным износостойким покрытием
RU2647963C2 (ru) * 2016-08-03 2018-03-21 Общество с ограниченной ответственностью "ТБ композит" Композиционный материал на основе титанового сплава и способ его получения

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nguyen et al. Die steel surface layer quality improvement in titanium μ-powder mixed die sinking electrical discharge machining
KR20200019199A (ko) 피복 절삭 공구
Luzia et al. Recast layer mechanical properties of tool steel after electrical discharge machining with silicon powder in the dielectric
Kolli et al. Assessing the influence of surfactant and B 4 C powder mixed in dielectric fluid on EDM of titanium alloy
CN102528104A (zh) 表面包覆立方晶氮化硼基超高压烧结材料制切削工具
US6517688B2 (en) Method of smoothing diamond coating, and method of manufacturing diamond-coated body
EP4292735A1 (en) Coated tool
CN110846651A (zh) 一种陶瓷增强的钴基熔覆材料、涂层及其制备方法
Xu et al. Recast layer removal of 304 stainless steel by combining micro-EDM with negative polarity micro-EDM
Radek Experimental investigations of the Cu-Mo and Cu-Ti electro-spark coatings modified by laser beam
RU2824444C1 (ru) Способ изготовления режущего инструмента с износостойким коррозионно-устойчивым покрытием
Tao Le The evaluation of machining performances and recast layer properties of AISI H13 steel processed by tungsten carbide powder mixed EDM process in the semi-finishing process
RU2532582C2 (ru) Способ изготовления режущего инструмента с композитным износостойким покрытием
Kushwaha et al. Assessment of surface integrity during electrical discharge machining of titanium grade 5 Alloys (Ti-6Al-4V)
KR102021623B1 (ko) 음극 아크 성막
JP2013202700A (ja) 耐久性に優れる被覆工具およびその製造方法
Liu et al. Combined machining of Ti-6Al-4V alloy using electrochemical milling and electrochemical grinding
JP2019063937A (ja) 耐溶着チッピング性にすぐれた表面被覆切削工具
Rouniyar et al. Improvement in machined surface with the use of powder and magnetic field assisted on machining aluminium 6061 alloy with EDM
CN112779533A (zh) 一种在不锈钢表面制备金属基复合涂层的方法
Parihar et al. Effect of wire electrical discharge machining on the functionally graded cemented tungsten carbide surface integrity
Kalra et al. Experimental study on developed electrochemical micro machining of hybrid MMC
JP2018051705A (ja) 表面被覆切削工具
Li et al. Electrolytic abrasive edge honing of cemented carbide cutting tools
CN113226604B (zh) 包覆切削工具