МЕТЧИК С МНОГОСЛОЙНЫМ ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ, СОДЕРЖАЩИМ СЛОИ АМОРФНОГО АЛМАЗОПОДОБНОГО УГЛЕРОДА
износостойкие многослойные покрытия коэффициенты сухого трения PVD-технология внутренние напряжения
Из существующего уровня техники известно большое количество метчиков различных конструкций для нарезания резьбы в деталях, изготовленных из разных материалов.
Основными факторами, определяющими долговечность работы метчика, являются:
1.	Недостаточная твердость инструментальной основы рабочей части метчика может вызывать износ и затупление режущей кромки зубьев, при этом для инструментальной стали она не должна быть менее 10 ГПа, а для твердых сплавов на основе карбида вольфрама - не менее 20 ГПа. 
2.	Если нарезание резьбы производится метчиком с изношенной калибровочной частью, это может привести к нарушению размеров резьбы и ухудшению калибровки отверстий. 
3.	Если изделие изготовлено из мягких и вязких металлов, большие коэффициенты трения (~0,3) по отводящим канавкам могут вызывать налипание и затрудненный выход стружки при нарезании резьбы, что может привести к поломке метчика на обратном ходе при нарезке резьбы в глухих резьбовых отверстиях, что в свою очередь может привести к браку всей обрабатываемой детали.
В зависимости от обрабатываемого материла детали, геометрических параметров резьбы и типа отверстий существуют и продолжают разрабатываться различные конструкции метчиков с целью повышения долговечности их работы в оптимальных режимах [Патенты РФ 2103123, 2179095, 2192335, 2246382, 2229965, 2334602. Свидетельство РФ на полезную модель 52528].
Основными недостатками этих метчиков являются низкие механические и трибологические характеристики основного материала, что может привести к сокращению срока их использования. 
Чтобы продлить срок эксплуатации метчика, можно повысить твердость поверхности его рабочей части и уменьшить усилие трения в зоне резания и проскальзывания стружки по канавкам. Для этого используют специальные покрытия, наиболее эффективным из которых являются многослойные износостойкие покрытия из нитрида титана и циркония, однако такие покрытия обладают низкой твердостью (25-30 ГПа) и недостаточной адгезией покрытия с материалом рабочей части метчика. 
Существуют также метчики с износостойкими покрытиями, которые были описаны в статье [Д. Локтева, Е. Ямашкина «Основные виды износостойких покрытий», Наноиндустрия, 2007, №5, с.24-30].
В таблице 1 приведены типы покрытий, их твердость и коэффициенты трения, рекомендуемые в этой работе для повышения ресурса работы метчиков.
Таблица 1
Обрабатываемый материал	Покрытие	Микротвердость, ГПа	Коэффициент трения
Сталь	TiCN+MoS2	32	0,15
	TiAlCN+аморфный углерод	28	0,15
Чугун
 	TiAlCN	35	0,5
	TiCN (многослойное)	28	0,6
Алюминий (>12%)	TiAlCN+аморфный углерод	28	0,15
	TiCN (многослойное)	28	0,6
Алюминий (<12%)	Сr2N+аморфный углерод	20	0,15
	TiCN (многослойное)	28	0,6
Суперсплавы (Ni, Ti)	TiAlCN+аморфный углерод	28	0,15
	TiCN+MoS2	32	0,15
Медь	CrN	18	0,3
Бронза, латунь	TiCN	37	0,2
	TiCN (многослойное)	28	0,6
Пластик	TiCN (многослойное)	28	0,6
	TiAlCN	35	0,5

Из таблицы 1 видно, что рекомендуемые покрытия для метчиков обладают твердостью в диапазоне 20-40 ГПа и коэффициентом трения 0,15-0,6. Покрытие из аморфного углерода, присутствующее на поверхности метчика с TiAlCN+аморфный углерод износостойким покрытием, дает самое низкое значение коэффициента трения (0,15), что способствует увеличению срока использования метчика при нарезании резьбы из стали. Однако, такое покрытие не обеспечивает достаточной твердости для нарезания резьбы в глухих отверстиях деталей, изготовленных из твердых и вязких сталей (Ст. 38ХС, Ст. 20Х2Н24А, Ст. 20Х2Н4А и др.). Недостаточная твердость покрытия приводит к преждевременному износу режущих кромок метчика, ухудшению качества резьбы в обрабатываемых деталях (изменению размеров и профиля резьбы, образованию раковин и повышению шероховатости поверхности резьбы), а также возрастанию нагрузки на материал и его поломке, особенно при обратном ходе при нарезании резьбы в глухих отверстиях.
Существует метчик, на рабочей части которого находится износостойкое покрытие из твердого аморфного алмазоподобного углерода толщиной 1000-3000 нм, расположенное над промежуточным адгезионным слоем толщиной не более 1/10 толщины покрытия, выполненный из титана или его соединений с углеродом (Патент РФ 93716). Такое покрытие повышает твердость поверхности метчика до 70-100 ГПа. Промежуточный адгезионный слой из титана или его соединений с углеродом обеспечивает наилучшее химическое соединение этого слоя как с основным материалом метчика - инструментальной сталью, так и с покрытием из твердого аморфного алмазоподобного углерода. Однако, метчики с таким покрытием имеют некоторые недостатки, связанные с структурой и морфологией поверхности твердого углеродного покрытия.
Известно, что высокотвердые алмазоподобные покрытия (с HV~100 ГПа) могут быть получены методом вакуумного дугового распыления графита с использованием ионов углерода с энергией около 1000 eV. Однако, такие покрытия имеют высокие внутренние напряжения (причиной этому является так называемая внутренняя имплантация), превышающие 10 ГПа, что ухудшает их адгезию к подложке и приводит к росту высоких пирамидальных выступов на поверхности покрытия. Это приводит к возникновению высоких значений начальных коэффициентов трения до 0,3-0,4, что усложняет процесс приработки покрытия и ограничивает его износостойкость. Большие внутренние напряжения также могут вызывать появление трещин и отслаивание покрытия от поверхности подложки, что сокращает его срок службы.
Существует метчик (описанный в Патенте РФ 107496), который является наиболее близким к указанному образцу. Он имеет износостойкое покрытие из твердого аморфного алмазоподобного углерода на рабочей поверхности, которое имеет твердость 70-100 ГПа и толщину 1000-3000 нм. Под ним находится промежуточный адгезионный слой, толщиной не более 0,1 толщины покрытия, который выполнен из титана или его соединений с углеродом. В рамках полезной модели метчик также имеет дополнительное покрытие из твердого аморфного алмазоподобного углерода с твердостью 30-50 ГПа и толщиной 300-500 нм. Это дополнительное покрытие получено путем деструкции углеводородов в аргон-ацетиленовой плазме и находится на поверхности основного покрытия. Метчик с двумя слоями твердого аморфного алмазоподобного углерода (твердость первого слоя составляет 70-100 ГПа, а второго – 30-50 ГПа), имеет более высокий рабочий ресурс, по сравнению с метчиком с однослойным углеродным покрытием, примерно в два раза.
Основная цель полезной модели – улучшить рабочий ресурс метчика, модифицированного наноструктурированным покрытиями: карбидом титана и твердым аморфным алмазоподобным углеродом. Для достижения этой цели на рабочей части метчика создано многослойное износостойкое покрытие, которое состоит из слоев карбида титана и аморфного алмазоподобного углерода. Каждый слой имеет толщину не более 100 нм. Всего на метчик подобных слоев нанесено от 10 до 20 пар. Общая толщина покрытия не превышает 2000 нм. Такая конструкция многослойного покрытия позволяет частично локализовать трещины на межслоевых границах, что повышает износостойкость покрытия. Нанесение этого многослойного покрытия проводилось на рабочую поверхность метчиков при помощи установки УВНИПА. Эта установка позволяет проводить ионную очистку поверхностей метчиков, напыление металла и карбида этого металла, а также нанесение углеродного покрытия импульсно-дуговым распылением графитовой мишени в одном вакуумном цикле.
Модифицированные наноструктурированными покрытиями метчики были испытаны в условиях реальной эксплуатации на производственных площадках АО «НПО «Электромашина» и площадка АО «ТСЗ «Титран-Экспресс» (ПАО «Научно-производственная корпорация «Объединенная Вагонная Компания»). Износостойкость модифицированного покрытиями метчика выше на 42% относительно исходного метчика (метчика без покрытия).
Модифицированные углеродными покрытиями метчики испытывались на площадке АО «НПО «Электромашина» при следующих режимах работы фрезерного станка с ЧПУ (модель Kitamura HX500i): в качестве СОЖ использовалась эмульсия, число оборотов составило 400 об/мин, подача составила 0,7 мм/мин, глубина резания 8 мм. Число обработанных резьбовых отверстий составило 2400 отверстий. Износостойкость модифицированного покрытиями метчика выше на 36% относительно исходного метчика (метчика без покрытия).
Модифицированные углеродными покрытиями метчики испытывались на площадке АО «ТСЗ «Титран-Экспресс» (ПАО «Научно-производственная корпорация «Объединенная Вагонная Компания») при следующих режимах работы горизонтального расточно-фрезерного станка 2В622: в качестве СОЖ использовалась Волгол-301 марка А, в качестве обрабатываемого материала использовалась сталь ОС ГОСТ 4728-2010, в качестве обрабатываемой детали использовалась ось, число оборотов составило 430 об/мин, подача составила 150 мм/мин. Число обработанных резьбовых отверстий составило 300-420 отверстий.
Таким образом, информация, изложенная выше доказывает, что использование предлагаемой полезной модели удовлетворяет следующим условиям:
- метчик с многослойным износостойким покрытием, состоящим из слоев карбида титана и твердого аморфного алмазоподобного углерода, может быть использован в области металлообработки;
- наличие описанного многослойного износостойкого покрытия гарантирует повышение рабочего ресурса метчика.
металлообработка, автомобилестроение, авиастроение, судостроение
Александр
Владимиров
Борисович
Научный руководитель
Кандидат физико-математических наук
Старший научный сотрудник
J-4716-2013
7102276487
38057
РОССИЯ
Михаил
Куклинов
Леонидович
Директор
РОССИЯ
55.22.29
Комбинированные и другие покрытия, в т.ч. нанопокрытия
81.09.30
Наноматериалы
45.09.39
Углеродные материалы, включая наноструктурированные и алмазы
02.10.NS
NANOSCIENCE & NANOTECHNOLOGY
Михаил
Куклинов
РОССИЯ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ФОНД СОДЕЙСТВИЯ РАЗВИТИЮ МАЛЫХ ФОРМ ПРЕДПРИЯТИЙ В НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СФЕРЕ"
1027739479734
СЕРГЕЙ
ПОЛЯКОВ
ГЕННАДЬЕВИЧ
Организация
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере"
Федеральные государственные бюджетные учреждения
Михаил
Куклинов
Леонидович
Физическое лицо
РОССИЯ