РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ХОГФ-ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2019 года по МПК B23B27/14 C23C14/24 B23P15/28 C23C30/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к покрытому режущему инструменту для обработки металлов с образованием стружки, включающему основу, имеющую поверхность, снабженную покрытием, образованным методом химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ). Покрытый режущий инструмент, в соответствии с настоящим изобретением, особенно пригоден для вариантов применения с высокими требованиями к абразивной износостойкости, например, при токарной обработке, фрезеровании или сверлении металлического материала, такого как легированная сталь, углеродистая сталь или высокозакаленная сталь.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Химическое Осаждение из Газовой Фазы (ХОГФ) износостойких покрытий на режущие инструменты из цементированного карбида многие годы применялось в промышленной практике. Такие покрытия, как TiCN и Al₂О₃, проявили себя как улучшающие износостойкость режущих вставок при резании многих различных материалов. Сочетание внутреннего слоя из TiCN и наружного слоя из α-Al₂О₃ можно найти на многих имеющихся в продаже режущих вставках, предназначенных для токарной обработки, например, стали.

ЕР1905870А2 раскрывает покрытую режущую вставку, включающую покрытие с по меньшей мере одним слоем α-Al₂О₃, проявляющим текстуру интенсивного роста по плоскости <001>. Прочность кромки вставки была улучшена для токарной обработки.

Цель изобретения состоит в предоставлении покрытой оксидом алюминия вставки режущего инструмента с улучшенными характеристиками в операциях резания. Дополнительной целью изобретения является предоставление покрытого режущего инструмента с улучшенной износостойкостью, например, более высокой устойчивостью к износу в виде лунки, и повышенной стойкостью к износу задней поверхности режущей кромки. Еще одна цель изобретения заключается в предоставлении режущего инструмента с высокой производительностью при токарной обработке стали, такой как легированные стали, углеродистые стали и высокозакаленные стали.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Вышеупомянутые цели достигаются с помощью режущего инструмента по пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Режущий инструмент в соответствии с настоящим изобретением включает основу, снабженную покрытием, включающим слой α-Al₂О₃, причем α-Al₂О₃ проявляет текстурный коэффициент TC(hkl), измеренный рентгенодифракционным методом с использованием CuKα-излучения и θ-2θ-сканирования, определяемый согласно формуле Харриса

(1)

где I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность (интегральную площадь) (hkl)-отражения,

I₀(hkl) представляет собой стандартную интенсивность согласно PDF-карте № 00-010-0173 из базы данных ICDD (International Centre for Diffraction Data, Международный центр дифракционных данных), n представляет число отражений, использованных в расчете, и где использованными (hkl)-отражениями являются (104), (110), (113), (024), (116), (214), (300) и (0012),

отличающийся тем, что

TC(0012)≥7,2, предпочтительно ≥7,4, более предпочтительно ≥7,5, более предпочтительно ≥7,6, наиболее предпочтительно ≥7,7 и предпочтительно ≤8,

и причем соотношение I(0012)/I(0 1 14)≥1, предпочтительно ≥1,5, более предпочтительно ≥1,7, наиболее предпочтительно ≥2, причем I(0012) представляет собой измеренную интенсивность (интегральную площадь) 0012-отражения, а I(0 1 14) представляет собой измеренную интенсивность (интегральную площадь) 0 1 14-отражения. Слой α-Al₂O₃ со столь высоким значением TC(0012) в сочетании с I(0012), равным или большим чем I(0 1 14), показал себя преимущественным в качестве слоя на режущих инструментах, благодаря своей неожиданно высокой стойкости к износу в виде лунки и к износу задней поверхности режущей кромки.

Слой α-Al₂O₃ обычно осаждают с использованием термического ХОГФ. В альтернативном варианте могут быть использованы другие процессы ХОГФ-осаждения. Это также действительно для любых дополнительных слоев покрытия, как раскрыто ниже. Метод ВТХОГФ (высокотемпературного химического осаждения из газовой фазы) определяется здесь как ХОГФ-процесс в пределах диапазона температур 950-1050°С, а метод СТХОГФ (среднетемпературного химического осаждения из газовой фазы) в пределах 800-950°С.

Слой α-Al₂O₃ покрывает по меньшей мере область режущего инструмента, которая производит резание в операции резания, покрывает по меньшей мере упомянутые области, подверженные износу в виде лунки и/или износу задней поверхности. В альтернативном варианте весь режущий инструмент может быть покрыт слоем α-Al₂O₃ и/или любыми дополнительными слоями покрытия.

Сильная <001>-текстура здесь означает статистически предпочтительный рост вдоль кристаллографического направления <001>, то есть зерна α-Al₂O₃ растут по их кристаллографической плоскости (001) параллельно поверхности основы более часто, чем по другим кристаллографическим плоскостям параллельно поверхности основы. Средством выражения предпочтительного роста вдоль кристаллографического направления <hkl> является текстурный коэффициент TC(hkl), рассчитываемый с использованием формулы Харриса (вышеуказанной формулы (1)) на основе определенной серии рентгенодифракционных (XRD) отражений, измеренных на соответствующем образце. Интенсивности рентгенодифракционных отражений стандартизированы с использованием JCPDF-карты, показывающей интенсивности рентгенодифракционных отражений того же материала, например, α-Al₂O₃, но с неупорядоченной ориентацией, такой как в порошке материале. Текстурный коэффициент TC(hkl)>1 слоя кристаллического материала является показателем того, что зерна кристаллического материала ориентированы своей кристаллографической плоскостью (hkl) параллельно поверхности основы более часто, чем при неупорядоченном распределении, по меньшей мере сравнительно с рентгенодифракционными отражениями, используемыми в формуле Харриса для определения текстурного коэффициента TC. Текстурный коэффициент TC(0012) используется здесь для указания предпочтительного роста кристаллов вдоль кристаллографического направления <001>. Кристаллографическая плоскость (001) в кристаллографической системе α-Al₂О₃ параллельна кристаллографическим плоскостям (006) и (0012).

В одном варианте осуществления настоящего изобретения толщина слоя α-Al₂О₃ составляет 2-20 мкм, предпочтительно 2-10 мкм, наиболее предпочтительно 3-7 мкм.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения покрытие дополнительно включает СТХОГФ-слой TiCN, размещенный между основой и слоем α-Al₂О₃. Зерна СТХОГФ-слоя TiCN являются столбчатыми. В одном варианте осуществления настоящего изобретения толщина упомянутого СТХОГФ-слоя TiCN составляет 4-20 мкм, предпочтительно 4-15 мкм, наиболее предпочтительно 5-12 мкм. Под СТХОГФ-TiCN здесь обозначен Ti(C_x,N_1-x), где 0,2≤×≤0,8, предпочтительно 0,3≤×≤0,7, более предпочтительно 0,4≤×≤0,6. Соотношение C/(C+N) в TiCN может быть измерено, например, с использованием электронного микрозондового анализа.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения покрытие дополнительно включает связующий слой, содержащий осажденный методом ВТХОГФ TiN, TiCN, TiCNO и/или TiCO, или их комбинацию, предпочтительно ВТХОГФ-TiCN и TiCNO, размещенный крайним снаружи от СТХОГФ-слоя TiCN и смежным со слоем α-Al₂O₃. Связующий слой предназначен для усиления адгезии между СТХОГФ-слоем TiCN и слоем α-Al₂O₃. Связующий слой предпочтительно подвергают оксидированию перед осаждением слоя α-Al₂O₃. Связующий слой включает нестолбчатые зерна, например, равноосные зерна. Толщина упомянутого связующего слоя составляет предпочтительно 0,5-2 мкм, наиболее предпочтительно 1-2 мкм.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения слой TiCN, размещенный между слоем α-Al₂O₃ и основой, проявляет текстурный коэффициент TC(hkl), измеренный рентгенодифракционным методом с использованием CuKα-излучения и θ-2θ-сканирования, определяемый согласно формуле (1) Харриса, где I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность (интегральную площадь) (hkl)-отражения, I₀(hkl) представляет собой стандартную интенсивность согласно PDF-карте № 42-1489 из базы данных ICDD, n представляет собой число отражений, причем использованными в расчете отражениями являются (111), (200), (220), (311), (331), (420), (422) и (511), причем TC(220) составляет ≤0,5, предпочтительно ≤0,3, более предпочтительно ≤0,2, наиболее предпочтительно ≤0,1. Низкая интенсивность отражения от (220) оказалась преимущественной в том, что она, как представляется, содействует образованию сильной <001>-текстуры последующего слоя α-Al₂O₃. Один путь достижения низкого значения TC(220) состоит в регулировании объемного отношения TiCl₄/CH₃CN на начальном этапе, предпочтительно в начале СТХОГФ-осаждения TiCN, до относительно высокого уровня.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения слой TiCN проявляет TC(422)≥3, предпочтительно ≥3,5. В одном варианте осуществления настоящего изобретения слой TiCN проявляет TC(311)+TC(422)≥4, предпочтительно ≥5, более предпочтительно ≥6, наиболее предпочтительно ≥7. Эти значения TC рассчитаны с использованием формулы (1) Харриса, PDF-карты № 42-1489 из базы данных ICDD и отражений (111), (200), (220), (311), (331), (420), (422) и (511).

В одном варианте осуществления настоящего изобретения основа представляет собой цементированный карбид, металлокерамический (кермет) или керамический материал. Эти основы имеют величины твердости и прочности, которые пригодны для нанесения покрытия по настоящему изобретению.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения основа покрытого режущего инструмента состоит из цементированного карбида, включающего 4-12 мас.% Со, предпочтительно 6-8 мас.% Со, необязательно 0,1-10 мас.% кубических карбидов, нитридов или карбонитридов металлов из групп IVb, Vb и VIb периодической таблицы, предпочтительно Ti, Nb, Та или их комбинации, и остаток - WС.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения основа состоит из цементированного карбида с богатой связующей фазой поверхностной зоной. Толщина богатой связующей фазой поверхностной зоны составляет предпочтительно 5-35 мкм, при измерении от поверхности основы и в направлении сердцевины основы. Богатая связующей фазой зона имеет среднее содержание связующей фазы по меньшей мере на 50% выше, чем содержание связующей фазы в сердцевине основы. Богатая связующей фазой поверхностная зона повышает прочность основы. Основа с высокой прочностью является предпочтительной в операциях резания, таких как токарная обработка стали.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения основа состоит из цементированного карбида с поверхностной зоной, по существу свободной от кубических карбидов. Толщина поверхностной зоны, по существу свободной от кубических карбидов, составляет предпочтительно 5-35 мкм, при измерении от поверхности основы и в направлении сердцевины основы. «По существу свободная от» означает, что при визуальном обследовании поперечного сечения в световом оптическом микроскопе кубические карбиды не видны.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения основа состоит из цементированного карбида с богатой связующей фазой поверхностной зоной, которая раскрыта выше, в сочетании с поверхностной зоной, по существу свободной от кубических карбидов, которая раскрыта выше.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения слой α-Al₂О₃ представляет собой самый наружный слой покрытия. В альтернативном варианте слой α-Al₂О₃ может быть покрыт одним или более дополнительными слоями, такими как слои TiN, TiC, Al₂O₃ и/или их комбинации. В одном варианте осуществления настоящего изобретения один или более дополнительные слои, покрывающие α-Al₂О₃, удален/удалены с задней поверхности или передней поверхности, или режущей кромки, или их комбинаций.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения покрытие подвергают дополнительной обработке с помощью пескоструйной обработки или крацевания для снятия растягивающих напряжений в слоях, покрытых с помощью ХОГФ, и для уменьшения шероховатости поверхности.

Настоящее изобретение также относится к применению покрытого режущего инструмента, который раскрыт здесь, в операции токарной обработки стали, предпочтительно легированной стали, углеродистой стали или высокозакаленной стали. Упомянутые режущие инструменты проявили особенно улучшенные технические характеристики в операциях, которые сопровождаются износом в виде лунки и износом задней поверхности.

МЕТОДЫ

ОСАЖДЕНИЕ ХОГФ-ПОКРЫТИЯ

ХОГФ-покрытия в нижеприведенных примерах осаждали в ХОГФ-установке радиального типа «Ionbond», размера 530, способной к размещению 10000 режущих вставок величиной в полдюйма (12,7 мм).

РЕНТГЕНОДИФРАКЦИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ

Чтобы исследовать текстуру слоя(ев), на задней поверхности с помощью дифрактометра PANalytical CubiX3, оснащенного детектором PIXcel, проводили рентгенодифракционное измерение. Покрытые режущие инструменты устанавливали в держателях образцов для обеспечения того, чтобы задние поверхности образцов были параллельны контрольной поверхности держателя образца, а также чтобы задняя поверхность находилась на надлежащей высоте. Для измерений применяли Cu-Kα-излучение, при напряжении 45 кВ и токе 40 мА. Использовали антирассеивающую щель в 1/2 градуса и щель расходимости в 1/4 градуса. Интенсивность дифракционной картины от покрытого режущего инструмента измеряли в диапазоне 2θ от 20° до 140°, то есть в пределах угла θ падения от 10 до 70°.

Анализ данных, в том числе вычитание фона, удаление Cu-Kα₂ и выведение профиля по данным, выполняли с использованием программного обеспечения X’Pert HighScore Plus фирмы PANalytical. Затем выходные данные (интегральные площади пиков для вычерченной по точкам кривой) этой программы использовали для расчета текстурных коэффициентов слоя сравнением отношения данных измеренных интенсивностей к данным стандартной интенсивности согласно PDF-карте конкретного слоя (такого как слой TiCN или α-Al₂О₃), с использованием формулы Харриса (1), раскрытой выше. Поскольку слой представлял собой пленку конечной толщины, относительные интенсивности пары пиков при различных 2θ-углах отличаются от интенсивностей для объемных образцов вследствие различий в длине пути через слой. Поэтому к интенсивностям выделенных интегральных площадей пиков для вычерченной по точкам кривой применяли коррекцию на тонкую пленку, также принимая во внимание коэффициент линейного поглощения слоя, когда рассчитывали значения TC. Поскольку возможные дополнительные слои поверх, например, слоя α-Al₂О₃, будут влиять на интенсивности рентгеновского излучения, поступающего в слой α-Al₂О₃ и выходящего из всего покрытия в целом, необходимо также выполнять коррекции на это, с учетом коэффициента линейного поглощения для соответствующего соединения в слое. То же самое справедливо для рентгенодифракционных измерений слоя TiCN, если слой TiCN размещен, например, ниже слоя α-Al₂О₃. В альтернативном варианте дополнительный слой, такой как TiN, поверх слоя оксида алюминия, может быть удален методом, который не оказывает существенного влияния на результаты XRD-измерения, например, химическим травлением.

Для исследования текстуры слоя α-Al₂О₃ проводили рентгенодифракционное измерение с использованием CuK_α-излучения, а текстурные коэффициенты TC(hkl) для различных направлений роста столбчатых зерен слоя α-Al₂О₃ рассчитывали согласно формуле Харриса (1), раскрытой выше, где I(hkl)=измеренная (интегральная площадь) интенсивность (hkl)-отражения, I₀(hkl)=стандартная интенсивность согласно PDF-карте № 00-010-0173 из базы данных ICDD, n=число отражений, использованных в расчете. В этом случае использованными (hkl)-отражениями являются: (104), (110), (113), (024), (116), (214), (300) и (0012). При расчете соотношения I(0012)/I(0114) интенсивность интегральной площади пика (0012) и пика (0 1 14) делили независимо от любой PDF-карты. Измеренную интегральную площадь пика перед расчетом упомянутого соотношения корректируют на тонкую пленку и корректируют на любые дополнительные слои выше (то есть поверх) слоя α-Al₂О₃.

Текстурные коэффициенты TC(hkl) для различных направлений роста столбчатых зерен слоя TiCN рассчитывали согласно формуле Харриса (1), раскрытой выше, где I(hkl) представляет собой измеренную (интегральную площадь) интенсивность (hkl)-отражения, I₀(hkl) представляет собой стандартную интенсивность согласно PDF-карте № 42-1489 из базы данных ICDD, n представляет собой число отражений, использованных в расчете. В этом случае использованными (hkl)-отражениями являются (111), (200), (220), (311), (331), (420), (422) и (511).

Следует отметить, что перекрывание пиков представляет собой явление, которое может происходить в рентгенодифракционном анализе покрытий, включающих, например, несколько кристаллических слоев, и/или которые осаждены на основу, содержащую кристаллические фазы, и это должно учитываться и компенсироваться квалифицированным специалистом. Перекрывание пиков для рефлексов от слоя α-Al₂O₃ с пиками от слоя TiCN может повлиять на измерение и должно учитываться. Также следует отметить, что, например, карбид вольфрама (WC) в основе может давать дифракционные пики, близкие к соответственным пикам по настоящему изобретению.

ПРИМЕРЫ

Теперь будут раскрыты более подробно и в сравнении с контрольными вариантами осуществления примерные варианты осуществления настоящего изобретения. Покрытые режущие инструменты (вставки) изготавливали, анализировали и оценивали в испытании на резание.

ПРИМЕР 1 (ИЗОБРЕТЕНИЕ)

Основы из цементированного карбида ISO-типа CNMG120408 для токарной обработки (образцы E13C-1, E13C-2, E29C-1, E29C-2, E30C-1, E30C-2, E35C-1 и E35C-2) изготавливали из 7,2 мас.% Co, 2,7 мас.% Ta, 1,8 мас.% Ti, 0,4 мас.% Nb, 0,1 мас.% N, и остаток - WC, причем основы включали богатую кобальтом (Со) поверхностную зону примерно 25 мкм от поверхности основы и до глубины в теле основы, по существу не содержащую кубических карбидов. Тем самым состав цементированного карбида представляет собой примерно 7,2 мас.% Co, 2,9 мас.% TaC, 1,9 мас.% TiC, 0,4 мас.% TiN, 0,4 мас.% NbC и 86,9 мас.% WC. Также изготавливали основы из цементированного карбида ISO-типа SNMA120408 (образцы E13S, E29S, E30S и E35S) с соответствующими составом и поверхностной зоной.

Вставки сначала покрывали тонким слоем TiN приблизительно 0,4 мкм, затем слоем TiCN приблизительно 7 мкм, применяя общеизвестную технологию СТХОГФ с использованием TiCl₄, CH₃CN, N₂, HCl и H₂ при температуре 885°С. Объемное соотношение TiCl₄/CH₃CN на начальном этапе СТХОГФ-осаждения слоя TiCN составляло 6,6, с последующим периодом, использующим соотношение TiCl₄/CH₃CN 3,7. Подробности осаждения TiN и TiCN показаны в Таблице 1.

ТАБЛИЦА 1 (СТХОГФ-осаждение TiN и TiCN) СТХОГФ TiN и TiCN (885°C): Давление
[мбар] H₂
[об.%] N₂
[об.%] HCl
[об.%] TiCl₄
[об.%] CH₃CN
[об.%] TiN 400 (40 кПа) 48,8 48,8 - 2,44 - TiCN внутренний 55 (5,5 кПА) 59 37,6 - 2,95 0,45 TiCN наружный 55 (5,5 кПа) 81,5 7,8 7,8 2,38 0,65

Поверх СТХОГФ-слоя TiCN был связующий слой толщиной 1-2 мкм, осажденный при температуре 1000°C с помощью процесса, состоящего из четырех отдельных реакционных этапов. Сначала этап ВТХОГФ-осаждения TiCN с использованием TiCl₄, CH₄, N₂, HCl и H₂ при давлении 400 мбар (40 кПа), затем второй этап (TiCNO-1) с использованием TiCl₄, CH₃CN, CO, N₂ и H₂ при давлении 70 мбар (7 кПа), затем третий этап (TiCNO-2) с использованием TiCl₄, CH₃CN, CO, N₂ и H₂ при давлении 70 мбар (7 кПа) и, наконец, четвертый этап (TiCNO-3) с использованием TiCl₄, CO, N₂ и H₂ при давлении 70 мбар (7 кПа). Во время третьего и четвертого этапов осаждения некоторые из газов постоянно заменяли, как указано первым начальным уровнем и вторым конечным уровнем, представленными в Таблице 2. Перед началом последующего зародышеобразования α-Al₂О₃ связующий слой подвергали оксидированию в течение 4-х минут в смеси CO₂, CO, N₂ и H₂. Подробности осаждения связующего слоя показаны в Таблице 2.

ТАБЛИЦА 2 (Осаждение связующего слоя) Связующий слой (1000°C): Давление
[мбар] H₂
[об.%] N₂
[об.%] CH₄
[об.%] HCl
[об.%] CO
[об.%] TiCl₄
[об.%] CH₃CN
[об.%] CO₂
[об.%] ВТХОГФ-TiCN 400
(40 кПа) 67,9 25,5 3,4 1,7 - 1,56 - - TiCNO-1 70
(7 кПа) 83,7 12 - 1,2 1,2 1,5 0,4 - TiCNO-2 70
(7 кПа) 63,1-61,7 31,5-30,9 - - 1,6-3,7 3,15-3,09 0,66-0,64 - TiCNO-3 70
(7 кПа) 62,1-61,5 31,1-30,8 - - 3,7
4,6 3,11-3,08 - - Оксидиро-вание 55
(5,5 кПа) 53,8 30 - - 12,5 - - 3,7

Поверх связующего слоя осаждали слой α-Al₂О₃. Все слои α-Al₂О₃ осаждали при температуре 1000°С и давлении 55 мбар (5,5 кПа) в два этапа. На первом этапе с использованием 1,2 об.% AlCl₃, 4,7 об.% CO₂, 1,8 об.% HCl и остатка - H₂ получали α-Al₂O₃ толщиной примерно 0,1 мкм, а на втором этапе, как раскрыто ниже, получали слой α-Al₂O₃ общей толщиной примерно 5 мкм. Покрытия E13, E29, E30 и E35 различаются только вторым этапом осаждения α-Al₂O₃, смотри Таблицу 3.

На образцах E13C-1, E13C-2 и E13S на втором этапе слой α-Al₂O₃ осаждали с использованием 1,2% AlCl₃, 4,7% CO₂, 2,9% HCl, 0,58% H₂S и остатка - H₂.

На образце E29C-1, E29C-2 и E29S на втором этапе слой α-Al₂O₃ осаждали с использованием 1,2% AlCl₃, 4,7% CO₂, 2,8% HCl, 0,35% H₂S и остатка - H₂.

На образце E30C-1, E30C-2 и E30S на втором этапе слой α-Al₂O₃ осаждали с использованием 2,3% AlCl₃, 4,5% CO₂, 2,8% HCl, 0,34% H₂S и остатка - H₂.

На образце E35C-1, E35C-2 и E35S на втором этапе слой α-Al₂O₃ осаждали с использованием 2,2% AlCl₃, 4,5% CO₂, 4,2% HCl, 0,34% H₂S и остатка - H₂.

ТАБЛИЦА 3 (Второй этап осаждения α-Al₂O₃) Второй этап осаждения α-Al₂O₃ (остаток - H₂): HCl
[об.%] CO₂
[об.%] H₂S
[об.%] AlCl₃
[об.%] E13 2,9 4,7 0,58 1,2 E29 2,8 4,7 0,35 1,2 E30 2,8 4,5 0,34 2,3 E35 4,2 4,5 0,34 2,2

ПРИМЕР 2 (КОНТРОЛЬНЫЕ ОБРАЗЦЫ)

Основы из цементированного карбида ISO-типа CNMG120408 для токарной обработки изготавливали из 7,2 мас.% Co, 2,7 мас.% Ta, 1,8 мас.% Ti, 0,4 мас.% Nb, 0,1 мас.% N и остатком - WC, причем основы включали богатую кобальтом (Со) поверхностную зону примерно 25 мкм от поверхности основы и до глубины в теле основы, по существу не содержащую кубических карбидов.

Вставки сначала покрывали тонким слоем TiN приблизительно 0,4 мкм, затем слоем TiCN приблизительно 8 мкм, применяя общеизвестную технологию СТХОГФ с использованием TiCl₄, CH₃CN, N₂, HCl и H₂ при 885°С. Объемное соотношение TiCl₄/CH₃CN при СТХОГФ-осаждении слоя TiCN составляло 2,2 для покрытия R10. Для покрытия R25 объемное соотношение TiCl₄/CH₃CN на начальном этапе СТХОГФ-осаждения слоя TiCN составляло 3,7, с последующим периодом, использующим соотношение TiCl₄/CH₃CN 2,2.

Поверх СТХОГФ-слоя TiCN был связующий слой толщиной 1-2 мкм, осажденный при температуре 1000ºC с помощью процесса, состоящего из трех отдельных реакционных этапов. Сначала этап ВТХОГФ-осаждения TiCN с использованием TiCl₄, CH₄, N₂, HCl и H₂ при давлении 400 мбар (40 кПа), затем второй этап с использованием TiCl₄, CH₃CN, CO, N₂, HCl и H₂ при давлении 70 мбар (7 кПа) и, наконец, третий этап с использованием TiCl₄, CH₃CN, CO, N₂ и H₂ при давлении 70 мбар (7 кПа), с получением тем самым связующего слоя. Перед началом зародышеобразования α-Al₂О₃ связующий слой подвергали оксидированию в течение 4-х минут в смеси CO₂, CO, N₂ и H₂.

После осаждали слой α-Al₂О₃ при температуре 1000ºС (ВТХОГФ) и давлении 55 мбар (5,5 кПа) в два этапа. На первом этапе с использованием 1,2 об.% AlCl₃, 4,7 об.% CO₂, 1,8 об.% HCl и остатка - H₂ получали слой α-Al₂O₃ толщиной примерно 0,1 мкм, а на втором этапе с использованием 1,16% AlCl₃, 4,7% CO₂, 2,9% HCl, 0,58% H₂S и остатка - H₂ получали слой α-Al₂O₃ общей толщиной примерно 5 мкм.

Покрытия R10 и R25 (то есть покрытия на образцах R10C-1, R10C-2, R25C-1, R25C-2) также включают самый наружный слой TiN толщиной примерно 1 мкм.

ПРИМЕР 3 (АНАЛИЗ ТЕКСТУРЫ)

Для анализа TC-значений α-Al₂O₃ и TiCN применяли рентгеновскую дифракцию (XRD) в соответствии с вышераскрытым методом. Для двух отдельных образцов покрытой основы CNMG120408 анализировали текстуру и затем проводили испытание на износостойкость, тогда как в покрытой основе SNMA120408 анализировали только текстуру. Толщины слоев анализировали в световом оптическом микроскопе обследованием поперечного сечения каждого покрытия при 1000-кратном увеличении, и как связующий слой, так и начальный слой TiCN включены в толщину слоя TiCN, приведенного в Таблице 2. Результаты представлены в Таблице 4.

ТАБЛИЦА 4 (Данные толщины и дифракции) Образец Толщина слоя TiCN [мкм] Толщина слоя α-Al₂O₃ [мкм] TC(0012) слоя α-Al₂O₃ I(0012)/I(0 1 14)
слоя α-Al₂O₃ TC(422) слоя TiCN TC(311) слоя TiCN TC(220)
слоя TiCN E13C-1
E13C-2
E13S 9,6 4,6 7,6
7,7
7,7 1,5
1,7
3,8 3,69
4,08
5,64 2,04
2,07
1,67 0,15
0,10
0,04 E29C-1
E29C-2
E29S 9,9 5,2 7,6
7,6
7,6 1,3
1,4
2,0 4,04
4,12
4,73 2,07
2,05
2,06 0,14
0,11
0,10 E30C-1
E30C-2
E30S 9,3 4,3 7,6
7,5
7,6 1,7
1,6
2,1 4,21
4,37
4,89 2,02
2,08
2,02 0,14
0,12
0,09 E35C-1
E35C-2
E35S 8,3 4,5 7,3
7,3
7,2 1,1
1,2
1,4 3,79
3,87
4,80 1,93
1,97
1,95 0,22
0,20
0,15 R10C-1
R10C-2 7,9 5,2 6,4
7,0 0,6
0,7 1,63
2,07 1,34
1,40 1,74
1,32 R25C-1
R25C-2 8,3 4,7 6,7
6,9 0,7
0,8 2,26
2,30 1,72
1,64 0,71
0,83

ПРИМЕР 4 (ИСПЫТАНИЕ НА РЕЗАНИЕ)

Перед испытаниями на стойкость при резании вставки подвергли пескоструйной обработке на передних поверхностях в установке для мокрой пескоструйной обработки с использованием суспензии кремнезема в воде, и угол между передней поверхностью режущей вставки и направлением струи песчаной суспензии составлял примерно 90°. Использовали абразивную пыль кремнезема F220, давление суспензии в пистолете составляло 1,8 бар (0,18 МПа), давление воздуха в пистолете составляло 2,2 бар (0,22 МПа), средняя продолжительность пескоструйной обработки на единицу площади составляла 4,4 секунды, а расстояние от сопла пистолета до поверхности вставки было примерно 145 мм. Цель пескоструйной обработки состоит в воздействии на остаточное напряжение в покрытии и на шероховатость поверхности, и тем самым в улучшении характеристик вставок в последующем испытании токарной обработкой.

Покрытые режущие инструменты ISO-типа CNMG120408 в состоянии после пескоструйной обработки испытывали в продольной обточке шарикоподшипниковой стали (100CrMo7-3) с использованием следующих параметров резания:

Скорость резания v_c: 220 м/мин

Рабочая подача резца, f: 0,3 мм/оборот

Глубина резания, a_p: 2 мм

Использовали смешивающуюся с водой смазочно-охлаждающую текучую среду.

Оценивали одну режущую кромку на каждый режущий инструмент.

При анализе износа в виде лунки измеряли площадь обнаженной основы с использованием светового оптического микроскопа. Когда площадь поверхности обнаженной основы превышала 0,2 мм², срок службы инструмента рассматривали как истекший. Износ каждого режущего инструмента оценивали после 2 минут резания с использованием светового оптического микроскопа. Затем процесс резания продолжали с измерением после каждого прохода в течение 2 минут, пока не был достигнут критерий долговечности инструмента. Когда размер площади лунки превышал 0,2 мм², оценивали время, в течение которого удовлетворялся критерий срока службы инструмента, на основе допущения постоянной скорости износа между двумя последними измерениями. Кроме износа в виде лунки, также наблюдали износ задней поверхности, но он не влиял на срок службы инструмента в этом испытании. Для каждого типа покрытия проводили два параллельных испытания, например, образец Е13С-1 тестировали в испытании 1 на износостойкость, а образцы Е13С-2 тестировали в испытании 2 на износостойкость. Образцы с геометрией SNMA120408 не оценивали в каком-либо испытании на стойкость при резании. Результаты показаны в Таблице 5.

ТАБЛИЦА 5 (Характеристики износа) Покрытие Испытание 1 на износ в виде лунки [мин] Испытание 2 на износ в виде лунки [мин] E13 51,3 55,6 E29 41,3 46 E30 40,7 46 E35 35,3 31,3 R10 24,5 29,6 R25 27,2 28

В то время как изобретение было описано в связи с разнообразными примерными вариантами осуществления, должно быть понятно, что изобретение не должно ограничиваться раскрытыми примерными вариантами осуществления; напротив, оно предназначено для охвата разнообразных модификаций и эквивалентных конфигураций в пределах прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к покрытому режущему инструменту для обработки металлов с образованием стружки. Инструмент включает основу, имеющую поверхность, снабженную покрытием, образованным методом химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ). Покрытый режущий инструмент включает основу с покрытием, содержащим слой α-Al₂О₃, причем упомянутый слой α-Al₂О₃ проявляет текстурный коэффициент TC(0012)≥7,2, и причем соотношение I(0012)/I(0 1 14)≥1. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 табл., 4 пр.

1. Покрытый режущий инструмент, включающий основу, снабженную покрытием, включающим слой α-Al₂О₃, причем упомянутый слой α-Al₂О₃ проявляет текстурный коэффициент TC(hkl), измеренный рентгенодифракционным методом с использованием CuKα-излучения и θ-2θ-сканирования, определяемый согласно формуле Харриса

,

где I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность (интегральную площадь) (hkl)-отражения, I₀(hkl) представляет собой стандартную интенсивность согласно PDF-карте № 00-010-0173 из базы данных ICDD, n представляет собой число отражений, использованных в расчете, причем использованными (hkl)-отражениями являются (1 0 4), (1 1 0), (1 1 3), (0 2 4), (1 1 6), (2 1 4), (3 0 0) и (0 0 12),

отличающийся тем, что он имеет

TC(0 0 12)≥7,2, предпочтительно ≥7,4, более предпочтительно ≥7,5, более предпочтительно ≥7,6, наиболее предпочтительно ≥7,7, причем соотношение I(0 0 12)/I(0 1 14)≥1, предпочтительно ≥1,5, более предпочтительно ≥1,7, наиболее предпочтительно ≥2,

при этом покрытие дополнительно включает СТХОГФ-слой TiCN, размещенный между основой и слоем α-Al₂О₃, причем этот слой TiCN, размещенный между слоем α-Al₂O₃ и основой, проявляет текстурный коэффициент TC(hkl), при измерении рентгенодифракционным методом с использованием CuKα-излучения и θ-2θ-сканирования, определяемый согласно формуле Харриса, где I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность (интегральную площадь) (hkl)-отражения, I₀(hkl) представляет собой стандартную интенсивность согласно PDF-карте № 42-1489 из базы данных ICDD, n представляет собой число отражений, причем использованными в расчете отражениями являются (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), (3 1 1), (3 3 1), (4 2 0), (4 2 2) и (5 1 1),

при этом TC(2 2 0) составляет ≤0,5, предпочтительно ≤0,3, более предпочтительно ≤0,2, наиболее предпочтительно ≤0,1.

2. Покрытый режущий инструмент по п. 1, отличающийся тем, что толщина слоя α-Al₂О₃ составляет 2-20 мкм.

3. Покрытый режущий инструмент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что толщина упомянутого СТХОГФ-слоя TiCN составляет 4-20 мкм.

4. Покрытый режущий инструмент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что покрытие дополнительно включает связующий слой, содержащий осажденный методом ВТХОГФ TiN, TiCN, TiCNO и/или TiCO, или их комбинацию, предпочтительно ВТХОГФ-TiCN и TiCNO, размещенный крайним снаружи от ВТХОГФ-слоя TiCN и смежным со слоем α-Al₂O₃.

5. Покрытый режущий инструмент по п. 4, отличающийся тем, что толщина связующего слоя составляет 0,5-2 мкм.

6. Покрытый режущий инструмент по п. 1, отличающийся тем, что слой TiCN проявляет TC(4 2 2)≥3, предпочтительно ≥3,5.

7. Покрытый режущий инструмент по п. 1 или 6, отличающийся тем, что значение TC(3 1 1)+TC(4 2 2) слоя TiCN составляет ≥4, предпочтительно ≥5, более предпочтительно ≥6, наиболее предпочтительно ≥7.

8. Покрытый режущий инструмент по п.1 или 2, отличающийся тем, что основа представляет собой цементированный карбид, кермет, керамический материал.

9. Применение покрытого режущего инструмента по одному из пп. 1-8 для токарной обработки стали, предпочтительно легированной стали, углеродистой стали или высокозакаленной стали.