183368. lajstromszámú szabadalom • Vas munkadarab előnyösen szerszám legalább két felületi réteggel ellátva
1 183 368 2 A találmány tárgya különlegesen nagyszilárdságú, hő- és kopásálló felületi réteggel ellátott vasalapú termékekre, elsősorban erősen ötvözött acélból — pl. gyorsacélból - készülő forgácsoló és forgács nélkül alakító szerszámokra, illetve más nagy mechanikai igénybevételű, kopásnak kitett alkatrészekre vonatkozik. Az utóbbi években egyre nagyobb az igény arra, hogy a kopásnak kitett vas munkadarabok (szerszámok) élettartama fokozott mechanikai igénybevétel esetén is növekedjék. Ezt esetenként kopásállóbb alapanyagok felhasználásával, illetve az utóbbi időkben különböző kemény felületi rétegek kialakításával érik el. Ennek egyik tipikus példája a keményfém váltólapka. A legújabb időkben a nagy kopásálló bevonatokat alkalmazni kezdték gyorsacélszerszámok éltartamának növelésére is. (Schulze, D.: Untersuchungen zur reaktiven ionengestützten Abschein dung von TiN-Schichten. die Technik 33., 7. Jul. 1978. p. 399—402.; Broszeit, E., Gabriel, H. M.: Beschichten nach den CVD Verfahren. Z. Werkstofftechnik IL 1980. p. 31 —40.) Ezeknek a bevonati rétegeknek az alkalmazása azonban csak részleges eredménnyel járt. A felület kopásállósága megnövekedett, de az alapanyag hőszilárdsága, változatlan maradt. így a termék az intenzitás növelést, ami a hőterhelés fokozódásával jár, nem tette lehetővé. A találmány megvilágítására a következő ábrákat mellékeljük: 1. ábra. A hő- és kopásálló réteg hatása a szerszám felületén megengedhető d hőmérsékletre. A ő j vastagságú réteg lehetővé teszi, hogy a szerszám alapanyag hőszilárdságából adódó ú0 = t?kr kritikus felületi hőmérsékletet iJ, -re növeljük. 2. ábra.Különböző szerszámanyagok szívósságának és kopásállóságának elvi összefüggése. 3. ábra. A forgácsolósebesség hatása az él tartamra a bázisanyagnál (gyorsacélnál) és bevonatolt állapotban. Az éltartamot a bevonat megtöbbszörözi, de a vékony réteg a hőterhelhetőséget csak kis mértékben befolyásolja. A megengedhető forgácsolósebességet és ezzel a gyorsacélszerszám alkalmazási körének kiszélesítését a keményfémek felé (1.: 2. ábrát) az él képlékeny deformációja korlátozza. 4. ábra. Kettős hő- és kopásálló réteg hatása a szerszám felületén megengedhető ű hőmérsékletre. A i?0 kritikus hőmérséklet a felülettől 5 j + S2 mélységbe tolódik el, ezért a felületen &0 ű2 hőmérséklet engedhető meg (1.: 1. ábrát). A nagy mechanikai, hő- és koptató igénybevételnek kitett vas munkadarabok, pl. szerszámok rendeltetésszerű felhasználásának alapvető feltétele, hogy a hőszilárdságuk egy kritikus értéket meghaladjon. Az 1. ábrán ezt a Tfcj csúsztató határfeszültség jelöli. A rendeltetésszerű felhasználásból eredő mechanikai igénybevétel, pl. forgácsolószerszámoknál a forgácsleválasztás erőszükségletéből adódó szerszámigénybevétel a felület munkahőmérsékletén az anyag szilárdságát nem haladhatja meg. Ellenkező esetben a vasfelület, szerszámoknál az él, kilágyul, instabillá válik, deformálódik és gyorsan tönkremegy. Eszerint a vas munkadarab felületén csak $o = $kr hőmérséklet engedhető meg. A nagy kopásállóságú réteg úgy növeli a megengedhető hőterhelést, hogy a hőmérséklet a réteg 51 vastagságának megfelelő mértékben-eltolódik, és így végeredményben a felületen hőmérséklet engedhető meg. Ilyen módon a vas munkadarab (szerszám) maximális üzemi hőmérséklete valamelyest emelhető. A gyorsacél szerszámanyag forgácsolóképességének javítása az ipar reális igénye, amely abból is következik, hogy a 2. ábra szerint a gyorsacél és a keményfémek alkalmazási területei között egy kitöltésre váró mező található. A gyorsacélszerszám egyszerű bevonatolása ezt az igényt csak igen korlátozott mértékben elégíti ki, ugyanis az y = Sj mélységben levő anyag 1. ábra melegszilárdsága az egész lapka teljesítőképességét meghatározza. A felület kopásállósága, és így a gyorsacélnál szokásos alkalmazási paraméterek mellett a 3. ábra szerint az éltartam megnövekszik, de a forgácsolás intenzitásának növelésekor a bevonat gyorsan hatástalanná válik. A találmány tárgyát képező különlegesen nagyszilárdságú, hő- és koptató-igénybevételnek ellenálló vas munkadarab, pl. új acélalapú forgácsoló váltólapka lényege az, hogy a rajta létrehozott két eltérő tulajdonságú felületi réteg olyan jellemzőket egyesít, amelyek az elvárt használati tulajdonságokat, pl. forgácsoló lapkáknál az optimális forgácsoló képességet úgy biztosítja, hogy az anyagban levő — kémiai összetételtől és szerkezettől függő - műszaki teljesítőképesség közel egyenletes mértékben van kihasználva. A külső koptató, hő- és mechanikai igénybevételt egy célszerűen megválasztott és vákuumplazmás technológiával (Grigorov, A. I.; Jelizarov, 0. A.: Ionno-vacuumnüe iznosztojkie pokrütyija. NIIMas, 1979. Moskva), más szokásos felületkeményítési módszerekre jellemzőnél alacsonyabb hőmérsékleten előállított 2-3 jum vastagságú, a 4. ábrán Il.a jelű réteg veszi fel. A hő- és mechanikai terhelést a vas munkadarab, pl. forgácsoló váltólapka alaptömegéhez egy olyan, önmagában már ismert fémfelület keményítési eljárással, pl. ionnitridálással előállított, a legkülső rétegnél legalább háromszor vastagabb közbenső (II.b) réteg közvetíti, amelynek hőszilárdsága mindenütt kielégíti a vas munkadarab anyagának, pl. a szerszámanyagnak az optimális hőszilárdságával szemben támasztott követelményt. E közbenső réteg tulajdonságai a vas munkadarab, pl. szerszám működő felületétől mért távolság függvényében változhatnak is, de a hőszilárdság mindig meghaladja a külső mechanikai terhelésből eredő igénybevételt. Ilyen módon a vas munkadarab, pl. acélalapú forgácsoló váltólapka hőszilárdsága által meghatározott t?0 hőmérséklet a felülettől a Ő! + S2 mélységbe tolódik el,.következésképpen a felületen t?2 munkahőmérséklet engedhető meg, amely a termék alapanyagának hőszilárdsága által meghatározott ú0 hőmérsékletnél lényegesen magasabb. Forgácsoló lapkánál ez a gyorsacél szerszámanyag alkalmazási területét a keményfémek alkalmazási területe felé szélesíti ki. A találmány szerinti eljárás gyakorlati alkalmazását a következő három példa mutatja: 1. példa Egy meghatározott, HV = 800-850 keménységű gyorsacélszerszám lágyulási határ-forgácsolósebessége kopásálló bevonatolás nélkül v^q = 0,7 m/s. A szerszámon egy, a vákuumplazmás eljárás megvalósítására alkalmas berendezésben — annak rendeltetésszerű használatától eltérően — a nitrogén adagolását alkalmas mértékben a megszokottnál, lényegesen kisebb értékre állítva, egy olyan 4-6 /im vastagságú titánnitrid tartalmú réteget hozunk létre, melyben kevesebb nitro5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
