РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2018 года по МПК B23B27/14 C23C16/40 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к режущему инструменту с износостойким покрытием.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Ранее известен режущий инструмент с износостойким покрытием, имеющий содержащую твердый сплав подложку и слой покрытия, сформированный на поверхности этой подложки. Слой покрытия содержит, например, соединение по меньшей мере одного типа, выбранное из группы, состоящей из карбида, нитрида, карбонитрида, карбоксида и карбоксинитрида титана. Слой покрытия может содержать оксид алюминия. Слой покрытия может состоять из одного слоя или содержать два или более слоев. Слой покрытия формируют на поверхности подложки методом химического осаждения из паровой фазы. Полная толщина слоя покрытия составляет 3-20 мкм. Режущий инструмент с износостойким покрытием, содержащий указанный слой покрытия, применяют для обработки резанием стали, чугуна и т.д.

[0003] Обычно, в пленке, сформированной на поверхности твердого сплава на основе карбида вольфрама, остается растягивающее напряжение. Когда в такой пленке остается растягивающее напряжение, прочность разрушения режущего инструмента с износостойким покрытием снижается и этот инструмент легко разрушается.

[0004] В качестве способа снятия растягивающего напряжения, оставшегося в этой пленке, известен метод, при котором в пленке с помощью дробеструйной обработки создают трещины (смотри, например, патентный документ 1).

[0005] Известен режущий инструмент с износостойким покрытием, содержащий подложку и сформированную на этой подложке пленку, причем эта пленка содержит пленку TiCN, имеющую растягивающее напряжение, и пленку α-Al₂O₃, имеющую сжимающее напряжение, причем пленка TiCN расположена между подложкой и пленкой α-Al₂O₃ (смотри, например, патентный документ 2).

ДОКУМЕНТЫ УРОВНЯ ТЕХНИКИ

[0006] ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

Патентный документ 1: JP Hei.5-116003A

Патентный документ 2: WO 2006/064724A

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

[0007] В последние годы в обработке резанием заметно повышение скорости резания, увеличение подачи и глубины резания, так что срок службы инструмента имеет тенденцию к сокращению по сравнению с обычным режимом обработки резанием.

[0008] В инструменте, раскрытом в упомянутом выше патентном документе 1, при снятии оставшегося в пленке растягивающего напряжения повышается сопротивление инструмента разрушению, но при этом существует проблема снижения износостойкости инструмента. Причина этого, по-видимому, заключается в том, что часть пленки отслаивается от трещины, созданной в пленке в качестве начальной точки.

[0009] Инструмент, раскрытый в упомянутом выше патентном документе 2, имеет сжимающее напряжение на всем протяжении пленки α-Al₂O₃. В связи с этим раскрытый в вышеупомянутом патентном документе 2 инструмент имеет проблему низкой износостойкости.

[0010] Настоящее изобретение было разработано с целью решения этих проблем, и задача изобретения заключается в повышении износостойкости и сопротивления разрушению режущего инструмента с износостойким покрытием за счет контроля распределения напряжений в этом инструменте с износостойким покрытием. Кроме того, задача настоящего изобретения заключается в увеличении срока службы инструмента.

СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ

[0011] С учетом описанных выше проблем авторы настоящего изобретения выполнили исследования режущего инструмента с износостойким покрытием и разработали следующие изобретения. В соответствии с настоящим изобретением износостойкость и сопротивление разрушению инструмента могут быть повышены. Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением можно увеличить срок службы инструмента.

[0012] Сущность настоящего изобретения заключается в следующем.

(1) Режущий инструмент с износостойким покрытием, содержащий подложку и сформированный на поверхности этой подложки слой покрытия, причем

слой покрытия содержит слой α-оксида алюминия,

величина остаточного напряжения в слое α-оксида алюминия в плоскости (116) больше 0, а

величина остаточного напряжения в слое α-оксида алюминия в плоскости (012) меньше 0.

[0013] (2) Режущий инструмент с износостойким покрытием по п. (1), в котором

величина остаточного напряжения в слое α-оксида алюминия в плоскости (116) принята за А, где 20≤А≤500 МПа, и

величина остаточного напряжения в слое α-оксида алюминия в плоскости (012) принята за В, где -800≤В≤-100 МПа.

[0014] (3) Режущий инструмент с износостойким покрытием по п. (1) или (2), в котором величина остаточного напряжения является величиной, измеренной методом sin²ψ.

[0015] (4) Режущий инструмент с износостойким покрытием по любому из п.п. (1)-(3), в котором средняя толщина слоя α-оксида алюминия составляет 1-15 мкм.

[0016] (5) Режущий инструмент с износостойким покрытием по любому из п.п. (1)-(4), причем

этот инструмент дополнительно содержит слой соединения Ti, содержащий соединение элемента Ti и по меньшей мере одного элемента, выбранного из группы, состоящей из C, N, O и B, и

этот слой соединения Ti сформирован между подложкой и слоем α-оксида алюминия.

[0017] (6) Режущий инструмент с износостойким покрытием по любому из п.п. (1)-(5), в котором

слой соединения Ti содержит слой TiCN, и

атомное отношение C к сумме C и N, содержащихся в слое TiCN, [C/(C+N)], составляет 0,7≤C/(C+N)≤0,9.

[0018] (7) Режущий инструмент с износостойким покрытием по любому из п.п. (1)-(6), в котором

средняя толщина слоя покрытия составляет 3-30 мкм, и

средняя толщина слоя соединения Ti составляет 2-15 мкм.

[0019] (8) Режущий инструмент с износостойким покрытием по любому из п.п. (1)-(7), в котором подложка является твердым сплавом, керметом, керамикой или спеченным изделием из кубического нитрида бора.

[0020] <РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ>

Режущий инструмент с износостойким покрытием по настоящему изобретению содержит подложку и слой покрытия, сформированный на поверхности этой подложки. Таким инструментом является, например фреза для фрезерования, режущая пластина для токарной обработки, сверло или концевая фреза и т.д.

[0021] <ПОДЛОЖКА>

Подложка по настоящему изобретению является, например, твердым сплавом (цементированным карбидом), керметом (металлокерамикой), керамикой, спеченным телом из кубического нитрида бора, спеченным телом из алмаза или быстрорежущей сталью. Из этих материалов предпочтительны твердый сплав, кермет, керамика или спеченное тело из кубического нитрида бора, поскольку они обладают высокой износостойкостью и сопротивлением разрушению.

[0022] В связи с этим поверхность подложки может быть модифицирована. Например, если эта подложка является твердым сплавом цементированного карбида, то на поверхности подложки может быть сформирован слой, свободный от β-фазы. Если эта подложка является керамикой, то на поверхности подложки может быть сформирован упрочненный слой.

[0023] <СЛОЙ ПОКРЫТИЯ>

Средняя толщина слоя покрытия по настоящему изобретению предпочтительно составляет 3-30 мкм. Если толщина слоя покрытия менее чем 3 мкм, то в некоторых случаях износостойкость слоя снижается. Если толщина слоя покрытия превышает 30 мкм, то в некоторых случаях снижается сцепляемость между слоем покрытия и подложкой и сопротивление разрушению слоя покрытия. Средняя толщина слоя покрытия более предпочтительно составляет 3-20 мкм.

[0024] <Слой α-оксида алюминия>

Слой покрытия по настоящему изобретению содержит слой оксида алюминия. Слой оксида алюминия может быть однослойным или многослойным. Кристаллическая форма слоя оксида алюминия является α-типом.

[0025] Величина остаточного напряжения в плоскости (116) слоя α-оксида алюминия по настоящему изобретению больше 0 (МПа). То есть остаточное напряжение в плоскости (116) слоя α-оксида алюминия по настоящему изобретению является растягивающим напряжением.

[0026] Величина остаточного напряжения в плоскости (012) слоя α-оксида алюминия по настоящему изобретению меньше 0 (МПа). То есть остаточное напряжение в плоскости (012) слоя α-оксида алюминия по настоящему изобретению является сжимающим напряжением.

[0027] Если остаточное напряжение в плоскости (116) слоя α-оксида алюминия является растягивающим напряжением и остаточное напряжение в плоскости (012) слоя α-оксида алюминия также является растягивающим напряжением, то при обработке резанием в слое покрытия легко возникают трещины и сопротивление разрушению режущего инструмента с износостойким покрытием снижается.

[0028] Если остаточное напряжение в плоскости (012) слоя α-оксида алюминия является сжимающим напряжением и остаточное напряжение в плоскости (116) слоя α-оксида алюминия также является сжимающим напряжением, то повышается энергия, требуемая для механической обработки слоя покрытия, например сухой дробеструйной обработки. Когда энергия механической обработки высока, в слое покрытия легко образуются трещины. Когда в слое покрытия образуются трещины, часть этого слоя легко отслаивается вследствие удара при обработке резанием. Следовательно, свойства, присущие слою покрытия, не проявляются в достаточной степени и износостойкость режущего инструмента с этим покрытием снижается.

[0029] Указанное здесь сжимающее напряжение означает вид внутреннего напряжения (собственной деформации) слоя покрытия и является напряжением, которое выражается числовой величиной со знаком “-“ (минус). Большое сжимающее напряжение означает, что велика абсолютная величина этого напряжения. Небольшое сжимающее напряжение означает, что абсолютная величина этого напряжения мала.

[0030] Указанное здесь растягивающее напряжение означает вид внутреннего напряжения (собственной деформации) слоя покрытия и является напряжением, которое выражается числовой величиной со знаком “+“ (плюс). В настоящем описании, когда упоминают просто остаточное напряжение, имеют в виду и сжимающее напряжение, и растягивающее напряжение.

[0031] Когда величина остаточного напряжения в плоскости (116) слоя α-оксида алюминия по настоящему изобретению принята за А, то эта величина предпочтительно составляет 20≤А≤500 МПа. Если величина А остаточного напряжения в плоскости (116) слоя α-оксида алюминия составляет менее чем 20 МПа, износостойкость слоя покрытия имеет тенденцию к снижению. Если величина А остаточного напряжения в плоскости (116) слоя α-оксида алюминия превышает 500 МПа, сопротивление разрушению слоя покрытия имеет тенденцию к снижению.

[0032] Когда величина остаточного напряжения в плоскости (012) слоя α-оксида алюминия по настоящему изобретению принята за B, то эта величина предпочтительно составляет -800≤B≤-100 МПа. Если величина B остаточного напряжения в плоскости (012) слоя α-оксида алюминия составляет менее чем -800 МПа, то в этом слое легко возникают трещины или отслоение и износостойкость слоя покрытия снижается. Если величина B остаточного напряжения в плоскости (012) слоя α-оксида алюминия превышает -100 МПа, то эффект, полученный за счет придания сжимающего напряжения слою покрытия, уменьшается, так что сопротивление разрушению слоя покрытия снижается.

[0033] Значения остаточного напряжения (А и В) можно измерить методом sin²ψ с применением рентгеновского аппарата для измерения напряжения. Значения остаточного напряжения в 10-ти произвольных точках в слое покрытия измеряют методом sin²ψ и предпочтительно получают среднее значение остаточного напряжения по этим 10-ти точкам. Произвольные 10 точек в слое покрытия, которые являются измеряемыми участками, предпочтительно выбирают так, чтобы эти точки отстояли одна от другой на расстоянии 0,1 мм или более.

[0034] Для измерения величины остаточного напряжения в плоскости (012) в слое α-оксида алюминия выбирают плоскость (012) в этом слое. В частности, с помощью рентгеновского дифрактометра анализируют образец, на котором сформирован слой α-оксида алюминия. При этом исследуют изменение угла дифракции плоскости (012), когда изменен угол ψ, образованный нормалью к плоскости образца и нормалью к плоскости решетки.

[0035] Для измерения величины остаточного напряжения в плоскости (116) в слое α-оксида алюминия выбирают плоскость (116) в этом слое. В частности, с помощью рентгеновского дифрактометра анализируют образец, на котором сформирован слой α-оксида алюминия. При этом исследуют изменение угла дифракции плоскости (116), когда изменен угол ψ, образованный нормалью к плоскости образца и нормалью к плоскости решетки.

[0036] Угол падения рентгеновского луча различен в зависимости от грани кристалла слоя α-оксида алюминия. Считается, что величина В остаточного напряжения, измеренного за счет выбора плоскости (012) слоя α-оксида алюминия, показывает остаточное напряжение относительно поверхности этого слоя α-оксида алюминия. Считается, что величина А остаточного напряжения, измеренного за счет выбора плоскости (116) слоя α-оксида алюминия, показывает остаточное напряжение относительно внутренней части этого слоя α-оксида алюминия.

[0037] Средняя толщина слоя α-оксида алюминия по настоящему изобретению предпочтительно составляет 1-15 мкм. Если средняя толщина слоя α-оксида алюминия составляет менее чем 1 мкм, то в некоторых случаях снижается сопротивление образованию лунки износа передней поверхности. Если средняя толщина слоя α-оксида алюминия превышает 15 мкм, то в некоторых случаях легко возникает отслаивание слоя покрытия и сопротивление разрушению этого слоя снижается.

[0038] <Слой соединения Ti>

Слой покрытия по настоящему изобретению предпочтительно содержит слой соединения Ti. Если слой покрытия содержит слой соединения Ti, то износостойкость слоя покрытия повышается. Слой соединения Ti может быть однослойным или многослойным.

[0039] Слой соединения Ti по настоящему изобретению может быть сформирован между подложкой и слоем α-оксида алюминия, или же может быть сформирован на внешней стороне слоя α-оксида алюминия.

[0040] Слой соединения Ti по настоящему изобретению предпочтительно сформирован на поверхности подложки. Если слой соединения Ti сформирован на поверхности подложки, то повышается сцепляемость между этой подложкой и слоем покрытия.

[0041] Слой соединения Ti по настоящему изобретению может быть сформирован на внешней стороне слоя покрытия. Если слой соединения Ti сформирован на внешней стороне слоя покрытия, то можно легко распознать изношенный угол режущего инструмента с покрытием.

[0042] Слой соединения Ti содержит соединение титана (Ti). Соединение Ti содержит Ti в качестве необходимого элемента, а также содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из углерода (C), азота (N), кислорода (O) и бора (B). Слой соединения Ti может дополнительно содержать по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al и Si. Слой соединения Ti содержит, например, по меньшей мере один слой, выбранный из группы, состоящей из слоя TiN, слоя TiCN, слоя TiC, слоя TiAlCNO, слоя TiAlCO, слоя TiCNO и слоя TiCO.

[0043] Средняя толщина слоя соединения Ti по настоящему изобретению составляет предпочтительно 2-15 мкм. Если средняя толщина слоя соединения Ti составляет менее чем 2 мкм, износостойкость слоя покрытия имеет тенденцию к снижению. Если средняя толщина слоя соединения Ti превышает 15 мкм, то сопротивление разрушению слоя покрытия имеет тенденцию к снижению.

[0044] Слой соединения Ti по настоящему изобретению предпочтительно содержит слой TiCN. Если слой соединения Ti содержит слой TiCN, то износостойкость слоя соединения Ti повышается. Атомное отношение C к сумме C и N, содержащихся в слое TiCN, [C/(C+N)], предпочтительно составляет 0,7≤C/(C+N)≤0,9. Если C/(C+N) меньше 0,7, то твердость слоя покрытия снижается, вследствие чего в некоторых случаях снижается износостойкость этого слоя. Если C/(C+N) превышает 0,9, то снижается вязкость слоя покрытия, вследствие чего в некоторых случаях снижается сопротивление слоя покрытия выкрашиванию.

[0045] Атомное отношение C к сумме C и N, [C/(C+N)], содержащихся в слое TiCN по настоящему изобретению, может быть измерено, например методом EPMA (электронный микрозондовый анализ). Конкретно, методом EPMA определяют количества C и N в слое TiCN соответственно и таким образом рассчитывают C/(C+N).

[0046] [МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ СЛОЯ ПОКРЫТИЯ]

Соответствующие слои, образующие слой покрытия режущего инструмента с износостойким покрытием по настоящему изобретению, можно сформировать, например с помощью следующих методов.

[0047] Слой TiN можно сформировать, например, методом химического осаждения из паровой фазы, используя исходную газовую композицию, содержащую 1,0-5,0 мол.% TiCl₄, 20-60 мол.% N₂, а остальное – H₂, при температуре 850-920°С и давлении 100-350 гПа.

[0048] Слой TiCN можно сформировать, например, методом химического осаждения из паровой фазы, используя исходную газовую композицию, содержащую 1,0-4,0 мол.% TiCl₄, 1,0-4,0 мол.% C₃H₆, 10-50 мол.% N₂, а остальное – H₂, при температуре 700-900°С и давлении 50-100 гПа. Таким методом можно сформировать слой TiCN с C/(C+N)=0,7-0,9.

[0049] Слой TiС можно сформировать, например, методом химического осаждения из паровой фазы, используя исходную газовую композицию, содержащую 1,0-3,0 мол.% TiCl₄, 4,0-6,0 мол.% CH₄, а остальное – H₂, при температуре 990-1030°С и давлении 50-100 гПа.

[0050] Слой α-оксида алюминия (Al₂O₃) можно сформировать, например, методом химического осаждения из паровой фазы, используя исходную газовую композицию, содержащую 1,0-5,0 мол.% AlCl₃, 2,5-4,0 мол.% CO₂, 2,0-3,0 мол.% HCl, 0,28-0,45 мол.% H₂S, а остальное – H₂, при температуре 900-1000°С и давлении 60-80 гПа.

[0051] Слой TiAlCNO можно сформировать, например, методом химического осаждения из паровой фазы, используя исходную газовую композицию, содержащую 1,0-5,0 мол.% TiCl₄, 1,0-2,0 мол.% AlCl₃, 0,4-1,0 мол.% CO, 30-40 мол.% N₂, а остальное – H₂, при температуре 975-1025°С и давлении 90-110 гПа.

[0052] Слой TiAlCO можно сформировать, например, методом химического осаждения из паровой фазы, используя исходную газовую композицию, содержащую 0,5-1,5 мол.% TiCl₄, 1,0-5,0 мол.% AlCl₃, 2,0-4,0 мол.% CO, а остальное – H₂, при температуре 975-1025°С и давлении 60-100 гПа.

[0053] Слой TiCNO можно сформировать, например, методом химического осаждения из паровой фазы, используя исходную газовую композицию, содержащую 1,0-5,0 мол.% TiCl₄, 0,4-1,0 мол.% CO, 30-40 мол.% N₂, а остальное – H₂, при температуре 975-1025°С и давлении 90-110 гПа.

[0054] Слой TiCO можно сформировать, например, методом химического осаждения из паровой фазы, используя исходную газовую композицию, содержащую 0,5-3,0 мол.% TiCl₄, 2,0-4,0 мол.% CO, 30-40 мол.% N₂, а остальное – H₂, при температуре 975-1025°С и давлении 60-100 гПа.

[0055] Режущий инструмент с износостойким покрытием, в котором отрегулированы остаточные напряжения слоя покрытия, может быть получен, например, с помощью следующих методов.

[0056] После формирования слоя покрытия на подложке, поверхность этого слоя обрабатывают потоком обрабатывающего материала методом сухой дробеструйной обработки или дробеструйной обдувки. Угол падения потока обрабатывающего материала предпочтительно составляет 2-10°. Предпочтительным обрабатывающим материалом является кубический нитрид бора (cBN). Когда сухую дробеструйную обработку или дробеструйную обдувку применяют к передней поверхности, заднюю поверхность предпочтительно подвергают маскированию, с тем чтобы обрабатывающий материал не ударялся в нее. Напротив, когда сухую дробеструйную обработку или дробеструйную обдувку применяют к задней поверхности, переднюю поверхность предпочтительно подвергают маскированию. Средний размер частиц обрабатывающего материала предпочтительно составляет 100-150 мкм. Скорость падения обрабатывающего материала составляет предпочтительно 85-150 м/с.

[0057] Толщину соответствующих слоев, содержащихся в слое покрытия, можно измерить, например, используя оптический микроскоп, сканирующий электронный микроскоп (SEM) или сканирующий электронный микроскоп с полевой эмиссией (FE-SEM). В частности, структуру поперечного сечения режущего инструмента с износостойким покрытием изучают посредством оптического микроскопа, сканирующего электронного микроскопа (SEM) или сканирующего электронного микроскоп с полевой эмиссией (FE-SEM). В связи с этим толщину соответствующих слоев, содержащихся в слое покрытия, предпочтительно измеряют в положении около 50 мкм от режущей кромки к передней поверхности. Толщину соответствующих слоев, содержащихся в слое покрытия, предпочтительно измеряют на трех или более участках и рассчитывают среднее значение толщины по трем измеренным участкам.

[0058] Составы соответствующих слоев, содержащихся в слое покрытия, можно измерить посредством энергодисперсионного рентгеновского спектрометра (EDS), волнового дисперсионного рентгеновского спектрометра (WDS) или электроннозондового микроанализатора (EPMA). Например, составы соответствующих слоев можно измерить за счет анализа структуры поперечного сечения режущего инструмента с покрытием, выполненного с помощью этой аппаратуры.

[0059] Состав слоя TiCN можно измерить посредством энергодисперсионного рентгеновского спектрометра (EDS), волнового дисперсионного рентгеновского спектрометра (WDS) или электроннозондового микроанализатора (EPMA). Например, состав слоя TiCN можно измерить за счет анализа структуры поперечного сечения режущего инструмента с покрытием, выполненного с помощью этой аппаратуры.

ЭФФЕКТЫ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0060] Режущий инструмент с износостойким покрытием по настоящему изобретению имеет высокую износостойкость и превосходное сопротивление разрушению. Соответственно, режущий инструмент с износостойким покрытием по настоящему изобретению обладает повышенным сроком службы по сравнению с обычными режущими инструментами.

ПРИМЕРЫ

[0061] Ниже настоящее изобретение поясняется со ссылкой на Примеры, но настоящее изобретение не ограничивается ими.

[0062] В соответствии с описанным ниже технологическим процессом изготовили режущий инструмент с износостойким покрытием (образец), содержащий подложку и сформированный на поверхности этой подложки слой покрытия. Поперечное сечение образца изучали посредством SEM вблизи 50 мкм от режущей кромки приготовленного образца к центральному участку передней поверхности приготовленного образца. Толщину слоя покрытия режущего инструмента с износостойким покрытием (образца) измерили на трех участках и получили среднее значение толщины этих трех измеренных участков.

[0063] Остаточное напряжение слоя α-оксида алюминия, содержащегося в слое покрытия, измерили методом sin²ψ с помощью рентгеновского аппарата для измерения напряжений. Остаточное напряжение слоя α-оксида алюминия измерили в 10-ти произвольных точках и получили среднее значение измеренных остаточных напряжений.

[0064] В качестве подложки использовали режущую пластину из твердого сплава цементированного карбида, имеющую форму CNMA120408 в соответствии со стандартом JIS, с составом (мас.%) 93,6WC-6,0Co-0,4Cr₃C₂. После того как часть линии ребра режущей кромки подложки скруглили методом хонингования с помощью щетки из SiC, поверхность подложки промыли.

[0065] После промывки поверхности подложки эту подложку переместили в устройство для химического осаждения из паровой фазы с внешним обогревом. Внутри этого устройства на поверхности подложки сформировали слой покрытия. Режимы формирования слоя покрытия показаны в таблице 1. Состав и средняя толщина слоя покрытия показаны в таблице 2.

[0066] Таблица 1

ТАБЛИЦА 1 Тип слоя покрытия Темпера тура (°С) Давление
(гПа) Состав исходных материалов (мол.%) α-Al₂O₃ 1000 70 AlCl₃:2,7%, CO₂:3,3%, HCl:2,5%, H₂S:0,3%, H₂:91,2% TiN 900 400 TiCl₄:3,2%, N₂:40%, H₂:56,8% TiC 1000 75 TiCl₄:2,4%, CH₄:4,6%, H₂:93% TiCN [C/(C+N):0,6] 800 75 TiCl₄:3,0%, CH₃CN:0,3%, H₂:96,7% TiCN [C/(C+N):0,7] 800 75 TiCl₄:2,5%, C₃H₆:1,0%, N₂:20%, H₂:76,5% TiCN [C/(C+N):0,8] 800 75 TiCl₄:2,5%, C₃H₆:2,5%, N₂:20%, H₂:75% TiCN [C/(C+N):0,9] 800 75 TiCl₄:2,5%, C₃H₆:4,0%, N₂:10%, H₂:83,5% TiCN [C/(C+N):0,95] 800 75 TiCl₄:2,5%, C₃H₆:6,0%, N₂:5%, H₂:86,5% TiCNO 1000 100 TiCl₄:3,5%, CO:0,7%, N₂:35,5%, H₂:60,3% TiAlCNO 1000 100 TiCl₄:3,8%, AlCl₃:1,5%, CO:0,7%, N₂:35,2%, H₂:58,8% TiCO 1000 80 TiCl₄:1,3%, CO:2,7%, H₂:96% TiAlCO 1000 80 TiCl₄:1,1%, AlCl₃:3,9%, CO:2,8%, H₂:92,2%

[0067] Таблица 2

ТАБЛИЦА 2 Образец № Слой покрытия Слой соединения Ti Слой
Α-Al₂O₃ Средняя толщина всего слоя покрытия
(мкм) Первый слой Второй слой Третий слой Состав Средняя толщина (мкм) Состав Средняя толщина (мкм) Состав Средняя толщина (мкм) Средняя толщина (мкм) Предложенный
продукт 1 TiN 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8 Предложенный
продукт 2 TiN 0,3 TiCN 2 TiCNO 0,5 2 4,8 Предложенный
продукт 3 TiN 0,3 TiCN 13 TiCNO 0,5 13 26,8 Предложенный
продукт 4 TiC 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8 Предложенный
продукт 5 TiN 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8 Предложенный
продукт 6 TiN 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8 Предложенный
продукт 7 TiN 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8 Предложенный
продукт 8 TiN 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8 Предложенный
продукт 9 TiN 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8 Предложенный
продукт 10 TiN 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8 Предложенный
продукт 11 TiN 0,3 TiCN 8 TiAlCNO 0,5 8 16,8 Предложенный
продукт 12 TiN 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8 Предложенный
продукт 13 TiC 0,3 TiCN 8 TiCO 0,5 8 16,8 Предложенный
продукт 14 TiN 0,3 TiCN 8 TiAlCO 0,5 8 16,8 Сравнительный продукт 1 TiN 0,2 TiCN 1 TiCNO 0,3 1 2,5 Сравнительный продукт 2 TiN 0,5 TiCN 15 TiCNO 0,5 17 33,0 Сравнительный продукт 3 TiN 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8 Сравнительный продукт 4 TiN 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8 Сравнительный продукт 5 TiN 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8 Сравнительный продукт 6 TiN 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8 Сравнительный продукт 7 TiN 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8 Сравнительный продукт 8 TiN 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8 Сравнительный продукт 9 TiN 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8 Сравнительный продукт 10 TiN 0,3 TiCN 8 TiCNO 0,5 8 16,8

[0068] В отношении предложенных продуктов 1-14 по настоящему изобретению после формирования слоя покрытия переднюю и заднюю поверхности подвергли сухой дробеструйной обработке, режимы которой показаны в таблице 3. При этом, когда обрабатывали переднюю поверхность, заднюю поверхность закрывали маской так, чтобы обрабатывающий материал не ударялся об эту поверхность. Когда обрабатывали заднюю поверхность, закрывали маской переднюю поверхность.

[0069] В отношении сравнительных продуктов 1-9 после формирования слоя покрытия эти продукты подвергали сухой или мокрой дробеструйной обработке, режимы которой показаны в таблице 4. Сравнительный продукт 10 не подвергали ни сухой, ни мокрой дробеструйной обработке.

[0070] Таблица 3

ТАБЛИЦА 3 Образец № Дробеструйная обработка Обрабатывающий материал Средний размер частиц обрабатывающего материала (мкм) Скорость падения (м/с) Угол падения
(°) Предложенный продукт 1 Сухая cBN 120 120 10 Предложенный продукт 2 Сухая cBN 100 120 5 Предложенный продукт 3 Сухая cBN 120 120 10 Предложенный продукт 4 Сухая cBN 120 120 10 Предложенный продукт 5 Сухая cBN 120 120 10 Предложенный продукт 6 Сухая cBN 120 120 10 Предложенный продукт 7 Сухая cBN 120 120 10 Предложенный продукт 8 Сухая cBN 120 120 10 Предложенный продукт 9 Сухая cBN 120 150 10 Предложенный продукт 10 Сухая cBN 120 100 10 Предложенный продукт 11 Сухая cBN 120 120 10 Предложенный продукт 12 Сухая cBN 120 120 10 Предложенный продукт 13 Сухая cBN 120 120 10 Предложенный продукт 14 Сухая cBN 120 120 10

[0071] Таблица 4

ТАБЛИЦА 4 Образец № Дробеструйная обработка Обрабатывающий материал Средний размер частиц обрабатывающего материала (мкм) Скорость падения (м/с) Угол падения
(°) Сравнительный продукт 1 Сухая cBN 120 120 60 Сравнительный продукт 2 Мокрая Al₂O₃ 30 100 45 Сравнительный продукт 3 Мокрая Al₂O₃ 30 100 45 Сравнительный продукт 4 Мокрая Al₂O₃ 30 100 45 Сравнительный продукт 5 Сухая Al₂O₃ 120 120 45 Сравнительный продукт 6 Сухая Al₂O₃ 120 120 45 Сравнительный продукт 7 Мокрая Al₂O₃ 30 100 45 Сравнительный продукт 8 Сухая Al₂O₃ 120 120 45 Сравнительный продукт 9 Сухая Al₂O₃ 120 120 60 Сравнительный продукт 10 Без обработки

[0072] Остаточное напряжение в слое α-оксида алюминия измерили методом sin²ψ с помощью рентгеновского аппарата для измерения напряжений. Результаты измерений остаточного напряжения в слое α-оксида алюминия показаны в таблице 5.

[0073] Таблица 5

ТАБЛИЦА 5 Образец № Слой α-оксида алюминия Величина А остаточного напряжения в плоскости (116) (МПа) Величина В остаточного напряжения в плоскости (012) (МПа) Предложенный продукт 1 200 -400 Предложенный продукт 2 50 -300 Предложенный продукт 3 200 -400 Предложенный продукт 4 200 -400 Предложенный продукт 5 200 -400 Предложенный продукт 6 200 -400 Предложенный продукт 7 200 -400 Предложенный продукт 8 200 -400 Предложенный продукт 9 50 -700 Предложенный продукт 10 400 -200 Предложенный продукт 11 200 -400 Предложенный продукт 12 200 -400 Предложенный продукт 13 250 -320 Предложенный продукт 14 190 -360 Сравнительный продукт 1 -30 -200 Сравнительный продукт 2 400 100 Сравнительный продукт 3 400 100 Сравнительный продукт 4 400 100 Сравнительный продукт 5 -200 -300 Сравнительный продукт 6 -200 -300 Сравнительный продукт 7 550 200 Сравнительный продукт 8 -200 -1000 Сравнительный продукт 9 -100 -900 Сравнительный продукт 10 730 620

[0074] Атомное отношение C к сумме C и N, [C/(C+N)], содержащееся в слое TiCN, измерили методом EPMA. В частности, методом EPMA измерили атомное отношение в положении 50 мкм от режущей кромки режущего инструмента с износостойким покрытием по направлению к центральной части его задней поверхности (таблица 6).

[0075] Таблица 6

ТАБЛИЦА 6 Образец № TiCN C/(C+N) Предложенный продукт 1 0,8 Предложенный продукт 2 0,8 Предложенный продукт 3 0,8 Предложенный продукт 4 0,8 Предложенный продукт 5 0,7 Предложенный продукт 6 0,9 Предложенный продукт 7 0,8 Предложенный продукт 8 0,8 Предложенный продукт 9 0,8 Предложенный продукт 10 0,8 Предложенный продукт 11 0,8 Предложенный продукт 12 0,8 Предложенный продукт 13 0,75 Предложенный продукт 14 0,6 Сравнительный продукт 1 0,8 Сравнительный продукт 2 0,8 Сравнительный продукт 3 0,6 Сравнительный продукт 4 0,95 Сравнительный продукт 5 0,8 Сравнительный продукт 6 0,8 Сравнительный продукт 7 0,8 Сравнительный продукт 8 0,8 Сравнительный продукт 9 0,8 Сравнительный продукт 10 0,8

[0076] С помощью полученных образцов (инструментов) выполнили Испытание 1 на обработку резанием и Испытание 2 на обработку резанием. Испытание 1 проводили с целью оценки износостойкости инструмента. Испытание 2 проводили с целью оценки сопротивления разрушению.

[0077] [Испытание 1 на обработку резанием]

Материал обрабатываемой заготовки: FCD600;

форма заготовки: диск диаметром 180 мм и длиной L20 мм (в центре диска выполнено квадратное отверстие диаметром 75 мм);

скорость резания: 150 м/мин;

подача: 0,35 мм/об.;

глубина резания: 2,0 мм;

смазочно-охлаждающая жидкость: применялась.

[0078] В Испытании 1 заготовку обрабатывали резанием посредством образца для измерения срока службы образца (инструмента). В частности, измерили длительность обработки до момента, когда максимальная ширина износа задней поверхности образца достигла 0,3 мм.

[0079] [Испытание 2 на обработку резанием]

Материал обрабатываемой заготовки: FС200;

форма заготовки: диск, имеющий диаметр 180 мм, длину L20 мм с двумя канавками шириной по 15 мм (в центре диска выполнено отверстие диаметром 65 мм);

скорость резания: 400 м/мин;

подача: 0,35 мм/об.;

глубина резания: 2,0 мм;

смазочно-охлаждающая жидкость: применялась.

[0080] В Испытании 2 заготовку обрабатывали резанием посредством образца для измерения срока службы образца (инструмента). В частности, измерили число ударов до момента, когда образец разрушился или когда максимальная ширина износа задней поверхности достигла 0,3 мм. Число ударов означает число раз, когда образец и заготовка соприкасались. Когда число ударов достигло 20000 раз, испытания прекратили. Каждый образец изготовили в пяти экземплярах. У каждого образца число ударов измерили пять раз. Из пяти раз измерений рассчитали среднее значение числа ударов.

[0081] Таблица 7

ТАБЛИЦА 7 Образец № Испытание 1 на обработку резанием Испытание 2 на обработку резанием Испытания на износ Испытания на разрушение Срок службы (мин) Состояние повреждения Срок службы (число раз) Состояние повреждения Предложенный продукт 1 45 Нормальный износ 18000 Разрушился Предложенный продукт 2 35 Нормальный износ 20000 Нормальный износ Предложенный продукт 3 55 Нормальный износ 16000 Разрушился Предложенный продукт 4 45 Нормальный износ 18000 Разрушился Предложенный продукт 5 40 Нормальный износ 19000 Разрушился Предложенный продукт 6 50 Нормальный износ 17000 Разрушился Предложенный продукт 7 45 Нормальный износ 17000 Разрушился Предложенный продукт 8 45 Нормальный износ 18000 Разрушился Предложенный продукт 9 40 Нормальный износ 19500 Разрушился Предложенный продукт 10 45 Нормальный износ 17000 Разрушился Предложенный продукт 11 45 Нормальный износ 18000 Разрушился Предложенный продукт 12 45 Нормальный износ 18000 Разрушился Предложенный продукт 13 38 Нормальный износ 17000 Разрушился Предложенный продукт 14 35 Нормальный износ 16500 Разрушился Сравнительный продукт 1 10 Нормальный износ 18000 Разрушился Сравнительный продукт 2 20 Разрушился 3000 Разрушился Сравнительный продукт 3 15 Нормальный износ 12000 Разрушился Сравнительный продукт 4 25 Выкрашивание 8000 Разрушился Сравнительный продукт 5 20 Отслаивание пленки покрытия 7000 Разрушился Сравнительный продукт 6 30 Нормальный износ 11000 Разрушился Сравнительный продукт 7 45 Нормальный износ 5000 Разрушился Сравнительный продукт 8 20 Нормальный износ 18000 Разрушился Сравнительный продукт 9 25 Нормальный износ 17000 Разрушился Сравнительный продукт 10 35 Разрушился 1500 Разрушился

[0082] Как показано в таблице 7, износостойкость и сопротивление разрушению предложенных продуктов повысились. Предложенные продукты показали увеличенную длительность обработки до достижения ими срока службы и большее число ударов, чем сравнительные продукты. Из этих результатов можно понять, что срок службы инструментов предложенных продуктов заметно больше, чем у сравнительных продуктов.

ПРИМЕНИМОСТЬ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

[0083] Режущий инструмент с износостойким покрытием по настоящему изобретению обладает высокой износостойкостью и превосходным сопротивлением разрушению. Режущий инструмент с износостойким покрытием по настоящему изобретению обладает повышенным сроком службы по сравнению с обычными режущими инструментами, поэтому он имеет широкие возможности для применения в промышленности.

Изобретение относится к режущему инструменту с износостойким покрытием, имеющему подложку и сформированный на поверхности указанной подложки слой износостойкого покрытия. Слой износостойкого покрытия содержит слой α-оксида алюминия, у которого величина остаточного напряжения (А) в кристаллографической плоскости (116) имеет значение 20≤А≤500 МПа, а величина остаточного напряжения (В) в кристаллографической плоскости (012) имеет значение -800≤B≤-100 МПа. Обеспечивается режущий инструмент, обладающий улучшенной износостойкостью и сопротивлением разрушению и имеющий больший срок службы по сравнению с обычными продуктами. 6 з.п. ф-лы, 7 табл.

1. Режущий инструмент с износостойким покрытием, имеющий подложку и сформированный на поверхности указанной подложки слой износостойкого покрытия, содержащий слой α-оксида алюминия, у которого величина остаточного напряжения (А) в кристаллографической плоскости (116) имеет значение 20≤А≤500 МПа, а величина остаточного напряжения (В) в кристаллографической плоскости (012) имеет значение -800≤B≤-100 МПа.

2. Режущий инструмент по п. 1, в котором величина остаточного напряжения измерена рентгеновским методом измерения напряжения.

3. Режущий инструмент по п. 1, в котором средняя толщина слоя α-оксида алюминия составляет 1-15 мкм.

4. Режущий инструмент по п. 1, который дополнительно содержит слой соединения Ti, содержащий соединение элемента Ti и по меньшей мере одного элемента, выбранного из группы, состоящей из C, N, O и B, при этом указанный слой соединения Ti сформирован между подложкой и слоем α-оксида алюминия.

5. Режущий инструмент по п. 4, в котором слой соединения Ti содержит слой TiCN, и атомное отношение C к сумме C и N, содержащихся в слое TiCN, [C/(C+N)], составляет 0,7≤C/(C+N)≤0,9.

6. Режущий инструмент по п. 4, в котором средняя толщина слоя покрытия составляет 3-30 мкм, а средняя толщина слоя соединения Ti составляет 2-15 мкм.

7. Режущий инструмент по п. 1, в котором подложка выполнена из твердого сплава, кермета, керамики или представляет собой спеченное тело из кубического нитрида бора.