СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ PVD-СЛОЯ И РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2020 года по МПК C23C14/24 C23C14/06 B23B27/14 

Настоящее изобретение в одном аспекте относится к способу изготовления PVD-слоя, а в дополнительном аспекте к режущему инструменту с покрытием.

Уровень техники

Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) представляет собой общеизвестный способ получения износостойких покрытий на подложке, например, твердом сплаве. Эти покрытия находят применение в качестве режущих инструментов для обработки металлов резанием, таких как режущие пластины и сверла.

Обычно используемые PVD-способы включают дуговое испарение, магнетронное распыление и ионное плакирование. Преимущества способа дугового испарения перед другими PVD-способами в общем включает лучшую адгезию к нижележащим подложке или слою, и более высокие скорости осаждения.

Однако в слоях, сформированных способом дугового испарения, обычно получаются покрытия с большим количеством дефектов кристаллической решетки, которые при рассматривании с увеличением сверху выглядят «размытыми», без любых признаков отдельных видимых кристаллических зерен. Дефекты, такие как точечные дефекты, приводят к повышенным остаточным сжимающим напряжениям в покрытии.

С другой стороны, в напыленных слоях могли бы получаться меньшая плотность дефектов, более высокая кристалличность, и иногда грани кристаллов на поверхности.

В способе дугового испарения ток дугового разряда подводится к металлической мишени или к мишеням, создающим пары или плазму металла внутри вакуумной камеры. Напряжение смещения подводится к подложке, тогда как мишень действует в качестве катодной поверхности. Дуга зажигается, и создается небольшая площадь испускания, где испаренный материал катода уходит с катода с высокой скоростью в сторону подложки. При обычной конфигурации используется мишень или мишени из желательного металла или комбинации металлов, которые должны присутствовать в покрытии, и процесс осаждения выполняется в присутствии реакционного газа, в зависимости от того, какое соединение должно быть осаждено в виде покрытия. Обычно в качестве реакционного газа применяется азот, когда желателен нитрид металла, метан или этан для карбида металла, метан или этан вместе с азотом для карбонитрида металла, и дополнительно добавление кислорода для осаждения карбоксинитрида металла.

Напряжение смещения, подводимое к покрываемой подложке, может подаваться в режиме постоянного тока (DC) или в переменном во времени режиме. Переменный во времени режим может быть импульсным режимом, где напряжение варьирует во времени, например, так, что переменное напряжение смещения включается, и напряжение смещения отключается. Процентная доля «времени включения», то есть, времени, в течение которого смещение подводится, относительно общего времени для периода следования импульсов смещения во время осаждения, называется «рабочим циклом».

Частота напряжения смещения в импульсном режиме обычно выражается в кГц.

В области режущих инструментов для обработки металлов резанием обычно применяемыми PVD-покрытиями являются нитриды, карбонитриды и карбоксинитриды металлов группы 4, 5 и 6 периодической таблицы элементов, и Al и Si.

Хотя часто желательно поддерживать остаточное сжимающее напряжение в PVD-слое на определенном уровне, оно предпочтительно не должно быть слишком высоким вследствие опасности вредных влияний на адгезию к нижележащему слою или к подложке.

Существует непреходящая потребность в режущих инструментах с покрытием, в которых покрытие имеет превосходные свойства в плане адгезии к подложке и устойчивости к скалыванию, и также превосходную износостойкость, такую как стойкость к луночному износу и/или сопротивление износу по задней поверхности.

Кроме того, существует потребность в осажденном дуговым испарением PVD-слое, который, кроме имеющихся общих достоинств, обеспечиваемых осажденным дуговым испарением слоем, таких как хорошая адгезия к подложке, имеет к тому же низкий уровень дефектов кристаллической решетки, такой как низкая плотность точечных дефектов.

Определения

Под термином «рабочий цикл» подразумевается процентная доля времени, в течение которого напряжение смещения «включено», то есть, активно, во время всего периода следования импульсов («время во включенном состоянии»+«время в выключенном состоянии»).

Под термином «частота импульса смещения» подразумевается число полных периодов следования импульсов в секунду.

Термином «FWHM» обозначается «полная ширина на половине пика», которая представляет собой ширину, в градусах (2тета), пика рентгеновской дифракции на половине его максимальной интенсивности.

Термином «FWQM» обозначается «полная ширина на четверти пика», которая представляет собой ширину, в градусах (2тета), пика рентгеновской дифракции на четверти его максимальной интенсивности.

Краткие описания чертежей

Фиг. 1 показывает объединенные рентгеновские дифрактограммы для покрытий Образцов 1-3.

Фиг. 2 показывает объединенные рентгеновские дифрактограммы для покрытий Образцов 4-8.

Фиг. 3 показывает объединенные рентгеновские дифрактограммы для покрытий Образцов 9-12.

Фиг. 4 показывает объединенные рентгеновские дифрактограммы для покрытий Образцов 13-17.

Фиг. 5 показывает увеличенную часть рентгеновской дифрактограммы для Образца 4 около (111)-пика.

Фиг. 6 показывает увеличенную часть рентгеновской дифрактограммы для Образца 5 около (111)-пика.

Фиг. 7 показывает увеличенную часть рентгеновской дифрактограммы для Образца 6 около (111)-пика.

Фиг. 8 показывает увеличенную часть рентгеновской дифрактограммы для Образца 13 около (111)-пика.

Фиг. 9 показывает увеличенную часть рентгеновской дифрактограммы для Образца 14 около (111)-пика.

Фиг. 10 показывает увеличенную часть рентгеновской дифрактограммы для Образца 15 около (111)-пика.

Фиг. 11 показывает увеличенную часть рентгеновской дифрактограммы для Образца 16 около (111)-пика.

Фиг. 12 показывает SEM-изображение поверхности Образца 4.

Фиг. 13 показывает объединенные рентгеновские дифрактограммы для покрытий Образцов 18-20.

Фиг. 14 показывает объединенные рентгеновские дифрактограммы для покрытий Образцов 21-23.

Фиг. 15 показывает увеличенную часть рентгеновской дифрактограммы для Образца 18 около (111)-пика.

Фиг. 16 показывает увеличенную часть рентгеновской дифрактограммы для Образца 19 около (111)-пика.

Фиг. 17 показывает увеличенную часть рентгеновской дифрактограммы для Образца 20 около (111)-пика.

Фиг. 18 показывает увеличенную часть рентгеновской дифрактограммы для Образца 21 около (111)-пика.

Фиг. 19 показывает увеличенную часть рентгеновской дифрактограммы для Образца 22 около (111)-пика.

Фиг. 20 показывает увеличенную часть рентгеновской дифрактограммы для Образца 23 около (111)-пика.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к способу изготовления покрытия на подложке, причем покрытие включает PVD-слой (A), представляющий собой соединение формулы Me_xSi_yAl_zC_aN_bO_c, x+y+z=1, 0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤c≤0,2, a+b+c=1, и 0≤x≤1, 0≤y≤0,4, 0≤z≤0,1, или 0≤x≤1, 0≤y≤0,1, 0≤z≤0,75,

причем Me представляет один или более металлов групп 4, 5 и 6 периодической таблицы элементов ИЮПАК, PVD-слой (A) осаждается катодно-дуговым испарением с приложением импульсного напряжения смещения от около -40 до около -450 В к подложке, и с использованием рабочего цикла менее, чем около 12%, и частоты импульсного смещения менее, чем около 10 кГц.

В одном варианте исполнения рабочий цикл может быть менее, чем около 11%. Кроме того, рабочий цикл может составлять от около 1,5 до около 10%, или от около 2 до около 10%.

В одном варианте исполнения рабочий цикл может быть менее, чем около 10%. Кроме того, рабочий цикл может составлять от около 1,5 до около 8%, или от около 2 до около 6%.

На протяжении «времени в выключенном состоянии» потенциал должным образом является плавающим.

Частота импульсного смещения может составлять более, чем около 0,1 кГц, или от около 0,1 до около 8 кГц, или от около 1 до около 6 кГц, или от около 1,5 до около 5 кГц, или от около 1,75 до около 4 кГц.

Напряжение смещения в импульсном режиме может составлять от около -40 до около -450 В, или от около -50 до около -450 В, или от около -55 до около -450 В.

Наиболее подходящий диапазон для напряжения смещения в импульсном режиме может варьировать в зависимости от конкретного используемого PVD-реактора.

В одном варианте исполнения напряжение смещения в импульсном режиме может быть от около -55 до около -400 В, или от около -60 до около -350 В, или от около -70 до около -325 В, или от около -75 до около -300 В, или от около -75 до около -250 В, или от около -100 до около -200 В.

В еще одном варианте исполнения напряжение смещения в импульсном режиме может быть от около -45 до около -400 В, или от около -50 до около -350 В, или от около -50 до около -300 В.

Напряжение смещения в импульсном режиме должным образом является однополярным.

PVD-слой (А) должным образом осаждается при температуре камеры между 400 и 700°С, или между 400-600°С, или между 450-550°С.

PVD-слой (А) должным образом осаждается в вакуумной PVD-камере, как раскрытой в патентном документе US 2013/0126347 A1, оснащенной катодными сборными узлами, где оба катода размещены с кольцеобразным анодом, помещенным вокруг них, и с использованием системы, создающей магнитное поле с силовыми линиями поля, выходящими из поверхности мишени и входящими в анод.

Давление газа во время осаждения PVD-слоя (А) может составлять от около 0,5 до около 15 Па, или от около 0,5 до около 10 Па, или от около 1 до около 5 Па.

Подложка может быть выбрана из группы спеченного карбида, металлокерамического материала, керамического материала, кубического нитрида бора и быстрорежущей стали.

Подложке должным образом придается форма режущего инструмента.

Режущий инструмент может быть режущей пластиной режущего инструмента, сверлом или твердой концевой фрезой, для обработки металлов резанием.

Кроме того, настоящее изобретение относится к режущему инструменту с покрытием, содержащему подложку и покрытие, причем покрытие включает PVD-слой (A), представляющий собой соединение формулы Me_xSi_yAl_zC_aN_bO_c, где x+y+z=1, 0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤c≤0,2, a+b+c=1, и 0≤x≤1, 0≤y≤0,4, 0≤z≤0,1, или 0≤x≤1, 0≤y≤0,1, 0≤z≤0,75, причем Me представляет один или более металлов групп 4, 5 и 6 периодической таблицы элементов ИЮПАК, PVD-слой (A) имеет кристаллическую структуру, имеющую значение FWHM (полной ширины на половине пика) для (111)-пика кубической структуры в картине рентгеновской дифракции, составляющее ≤0,3 градуса (2тета).

Описываемые здесь дополнительные возможные признаки PVD-слоя (А) имеют отношение как к PVD-слою (А), определяемому в способе, так и к PVD-слою (А), определяемому в режущем инструменте с покрытием.

Очень резкие пики дифракционной картины кубической структуры видны, когда выполняется рентгенодифракционный анализ PVD-слоя (А). Это означает высокую кристалличность. Также должным образом получена предпочтительная внеплоскостная кристаллографическая ориентация (111) для ряда составов слоев, где методами согласно прототипу обычно получалась ориентация (200). Такими составами слоев являются, например, Ti_0,33Al_0,67N, Ti_0,5Al_0,5N, (Ti,Si)N и Cr_0,3Al_0,7N.

PVD-слой (А) должным образом имеет значение FWHM для пика (111) кубической структуры в картине рентгеновской дифракции ≤0,25 градуса (2тета), или ≤0,2 градуса (2тета), или ≤0,18 градуса (2тета). Для случая, где PVD-слой (А) представляет собой TiN, значение FWHM для пика (111) кубической структуры в картине рентгеновской дифракции может дополнительно составлять даже ≤0,16 градуса (2тета).

PVD-слой (А) должным образом имеет значение FWQM (полной ширины на четверти пика) для пика (111) кубической структуры в картине рентгеновской дифракции, составляющее ≤0,6 градуса (2тета), или ≤0,5 градуса (2тета), или ≤0,45 градуса (2тета), или ≤0,4 градуса (2тета), или ≤0,35 градуса (2тета), или ≤0,3 градуса (2тета). Для случая, где PVD-слой (А) представляет собой TiN, значение FWQM для пика (111) кубической структуры в картине рентгеновской дифракции может дополнительно составлять даже ≤0,25 градуса (2тета).

PVD-слой (А) должным образом имеет соотношение максимумов интенсивности пиков I(111)/I(200) в картине рентгеновской дифракции, составляющее ≥0,6, или ≥0,7, или ≥0,8, или ≥0,9, или ≥1, или ≥1,5, или ≥2, или ≥3, или ≥4.

Максимумы интенсивности пиков I(111) и I(200), используемые здесь, а также пик (111), применяемый для определения значений FWHM и FWQM, представляют собой значения с удалением Cu-K_α2.

PVD-слой (А) должным образом имеет остаточное напряжение, составляющее >-3 ГПа, или >-2 ГПа, или >-1 ГПа, или >-0,5 ГПа, или >0 ГПа.

PVD-слой (А) должным образом имеет остаточное напряжение, составляющее <4 ГПа, или <3 ГПа, или <2 ГПа, или <1 ГПа.

Остаточное напряжение PVD-слоя (А) оценивается измерениями рентгеновской дифракции с использованием общеизвестного sin²ψ-метода, как описано авторами I.C. Noyan, J.B. Cohen, Residual Stress Measurement by Diffraction and Interpretation, («Дифракционное измерение и интерпретация остаточного напряжения»), издательство Springer-Verlag, Нью-Йорк, 1987 (стр. 117-130). Также смотри, например, работу автора V Hauk, Structural and Residual Stress analysis by Nondestructive Methods («Анализ структуры и остаточного напряжения неразрушающими методами»), издательство Elsevier, Амстердам, 1997. Измерения выполняются с использованием CuKα-излучения на отражении (200). Применялся метод бокового наклона (ψ-геометрия) с ψ-углами от шести до одиннадцати, предпочтительно девятью ψ-углами, на равном расстоянии в пределах выбранного sin²ψ-диапазона. Предпочтительным является эквидистантное распределение Φ-углов в пределах Φ-сектора 90°. Для подтверждения состояния биаксиального напряжения образец нужно поворачивать для Φ=0 и 90°, в то же время наклоняя на угол ψ. Рекомендуется исследовать возможное присутствие напряжений сдвига, и поэтому должны быть измерены как отрицательные, так и положительные ψ-углы. В случае 1/4-маятника Эйлера это выполняется измерением образца также при Φ=180 и 270° для различных ψ-углов. Измерение должно проводиться на настолько плоской поверхности, насколько возможно, предпочтительно на боковой стороне режущей пластины режущего инструмента. Для расчетов значений остаточного напряжения должны применяться коэффициент Пуассона, ν=0,22, и модуль Юнга, E=447 ГПа. Данные оцениваются с использованием имеющегося в продаже на рынке пакета программ, такого как DIFFRAC^Plus Leptos, версия 7.8, от Bruker AXS, предпочтительно определяющего положение отражение (200) аппроксимацией по псевдофункции Войта. Общее значение напряжения рассчитывается как среднее из полученных биаксиальных напряжений.

PVD-слой (А) должным образом включает ограненные кристаллические зерна на своей поверхности. Под ограненными здесь подразумевается, что на зернах имеются плоские грани.

Ограненные кристаллические зерна PVD-слоя (А) должным образом занимают >50%, или >75%, или >90%, площади поверхности PVD-слоя (А).

Толщина PVD-слоя (А) должным образом составляет от около 0,5 до около 20 мкм, или от около 0,5 до около 15 мкм, или от около 0,5 до около 10 мкм, или от около 1 до около 7 мкм, или от около 2 до около 5 мкм.

PVD-слой (А) должным образом представляет собой соединение формулы Ti_pZr_qCr_rSi_sAl_tC_aN_bO_c, 0≤p≤1, 0≤q≤1, 0≤r≤1, 0≤s≤0,4, 0≤t≤0,1, p+q+r+s+t=1, 0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤c≤0,2, a+b+c=1, или Ti_pZr_qCr_rSi_sAl_tC_aN_bO_c, 0≤p≤1, 0≤q≤1, 0≤r≤1, 0≤s≤0,1, 0≤t≤0,75, p+q+r+s+t=1, 0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤c≤0,2, a+b+c=1.

Должным образом, в формуле для PVD-слоя (А) 0≤a≤0,75, 0,25≤b≤1, 0≤c≤0,1, или 0≤a≤0,5, 0,5≤b≤1, 0≤c≤0,1, или же 0≤a≤0,25, 0,75≤b≤1, 0≤c≤0,05, или 0≤a≤0,1, 0,9≤b≤1, 0≤c≤0,02, или a=0, b=1, c=0, a+b+c=1.

В одном варианте исполнения PVD-слой (А) представляет собой соединение, включающее по меньшей мере два элемента из Ti, Zr, Cr, Si, и Al.

В одном варианте исполнения, в формуле для PVD-слоя (А) 0,9≤p≤1, 0≤q≤0,1, 0≤r≤0,1, 0≤s≤0,1, 0≤t≤0,1, или 0,95≤p≤1, 0≤q≤0,05, 0≤r≤0,05, 0≤s≤0,05, 0≤t≤0,05, или 0,98≤p≤1, 0≤q≤0,02, 0≤r≤0,02, 0≤s≤0,02, 0≤t≤0,02. В этом варианте исполнения примером PVD-слоя (А) является TiN.

В одном варианте исполнения, в формуле для PVD-слоя (А) 0,25≤p≤0,9, 0≤q≤0,1, 0≤r≤0,1, 0≤s≤0,1, 0,1≤t≤0,75, или 0,3≤p≤0,7, 0≤q≤0,05, 0≤r≤0,05, 0≤s≤0,05, 0,3≤t≤0,7, или 0,33≤p≤0,6, 0≤q≤0,02, 0≤r≤0,02, 0≤s≤0,02, 0,4≤t<0,67. В этом варианте исполнения примером PVD-слоя (А) является Ti_0,33Al_0,67N.

В одном варианте исполнения, в формуле для PVD-слоя (А) 0≤p≤0,1, 0≤q≤0,1, 0,2≤r≤1, 0≤s≤0,1, 0,1≤t≤0,8, или 0≤p≤0,05, 0≤q≤0,05, 0,25≤r≤0,75, 0≤s≤0,05, 0,3≤t≤0,75, или 0≤p≤0,02, 0≤q≤0,02, 0,25≤r≤0,35, 0≤s≤0,05, 0,6≤t≤0,75. В этом варианте исполнения примером PVD-слоя (А) является Cr_0,3Al_0,7N.

В одном варианте исполнения, в формуле для PVD-слоя (А) 0,1≤p≤0,5, 0,1≤q≤0,5, 0≤r≤0,1, 0≤s≤0,1, 0,25≤t≤0,6, или 0,1≤p≤0,4, 0,15≤q≤0,4, 0≤r≤0,05, 0≤s≤0,05, 0,4≤t≤0,55, или 0,2≤p≤0,4, 0,15≤q≤0,3, 0≤r≤0,02, 0≤s≤0,02, 0,45≤t≤0,55. В этом варианте исполнения примером PVD-слоя (А) является Ti_0,3Zr_0,2Al_0,5N.

В одном варианте исполнения, в формуле для PVD-слоя (А) 0≤p≤0,1, 0,4≤q≤1, 0≤r≤0,1, 0≤s≤0,1, 0≤t≤0,5, или 0≤p≤0,05, 0,5≤q≤1, 0≤r≤0,05, 0≤s≤0,05, 0,1≤t≤0,45, или 0≤p≤0,02, 0,5≤q≤0,8, 0≤r≤0,02, 0≤s≤0,02, 0,2≤t≤0,4. В этом варианте исполнения примером PVD-слоя (А) является Zr_0,65Al_0,35N.

В одном варианте исполнения, в формуле для PVD-слоя (А) 0,2≤p≤0,6, 0≤q≤0,1, 0≤r≤0,1, 0≤s≤0,1, 0,35≤t≤0,75, или 0,3≤p≤0,5, 0≤q≤0,05, 0≤r≤0,05, 0,01≤s≤0,08, 0,4≤t≤0,6, или 0,3≤p≤0,5, 0≤q≤0,02, 0≤r≤0,02, 0,02≤s≤0,07, 0,45≤t≤0,6. В этом варианте исполнения примером PVD-слоя (А) является Ti_0,4Si_0,05Al_0,55N.

В одном варианте исполнения, в формуле для PVD-слоя (А) 0,7≤p≤0,95, 0≤q≤0,1, 0≤r≤0,1, 0,01≤s≤0,3, 0≤t≤0,1, или 0,75≤p≤0,95, 0≤q≤0,05, 0≤r≤0,05, 0,02≤s≤0,25, 0≤t≤0,05, или 0,8≤p≤0,95, 0≤q≤0,02, 0≤r≤0,02, 0,05≤s≤0,2. В этом варианте исполнения примерами PVD-слоя (А) являются Ti_0,91Si_0,09N, Ti_0,87Si_0,13N, Ti_0,85Si_0,15N, Ti_0,82Si_0,18N, и Ti_0,78Si_0,22N.

Покрытие, включающее PVD-слой (А), должным образом осаждается на подложку, выбранную из группы спеченных карбидов, металлокерамических материалов, керамических материалов, кубического нитрида бора и быстрорежущей стали.

PVD-слой (А) в покрытии покрытого режущего инструмента должным образом осаждается дуговым распылением.

PVD-слой (А) в покрытии покрытого режущего инструмента должным образом осаждается способом согласно изобретению.

В одном варианте исполнения покрытие включает самый внутренний связующий слой, например, из TiN, CrN или ZrN, ближайший в подложке. Толщина связующего слоя может составлять от около 0,1 до около 1 мкм, или от около 0,1 до около 0,5 мкм. Самый внутренний связующий слой, может быть осажден с использованием иных технологических параметров, нежели использованные для осаждения PVD-слоя (А), например, DC-смещения, вместо импульсного смещения, причем такой самый внутренний связующий слой может иметь по существу такой же элементный состав, как и PVD-слой (А).

Подложка покрытого режущего инструмента может быть выбрана из группы спеченного карбида, металлокерамического материала, керамического материала, кубического нитрида бора и быстрорежущей стали.

Режущий инструмент с покрытием может представлять собой режущую пластину режущего инструмента, сверло или твердую концевую фрезу, для обработки металлов резанием.

Примеры

Пример 1:

Слой Ti_0,33Al_0,67N был осажден на заготовки режущих пластин режущего инструмента из спеченного цементированного карбида с геометрией SNMA120804. Цементированный карбид имел состав 10 вес.% Co, 0,4 вес.% Cr, и остальное количество из WC. На заготовки из цементированного карбида было нанесено покрытие в вакуумной PVD-камере системы Oerlikon Balzer INNOVA, модернизированной Усовершенствованным Оптимизатором Плазмы. Вакуумная PVD-камера была оснащена 6 катодными сборными узлами. Каждый узел включал одну мишень из сплава Ti_0,33Al_0,67. Катодные сборные узлы были размещены на двух уровнях в камере. Оба катода были размещены с находящимся вокруг них кольцеобразным анодом (как раскрыто в патентном документе US 2013/0126347 A1), с системой, создающей магнитное поле с силовыми линиями поля, выходящими из поверхности мишени и входящими в анод (смотри патентный документ US 2013/0126347 A1).

Камера была откачана до высокого вакуума (менее 10^-2 Па) и нагрета до температуры 350-500°С размещенными внутри камеры нагревателями, в этом конкретном случае до 500°С. Затем заготовки были протравлены в Ar-плазме в течение 30 минут.

Были проведены семнадцать различных осаждений с переменными технологическими условиями. Были испытаны как DC-смещение, так и импульсное напряжение смещения. Для импульсного смещения были протестированы различные напряжения смещения, рабочие циклы и частоты импульсного смещения.

Давление в камере было отрегулировано на 3,5 Па газообразного N₂, и к комплекту заготовок прилагалось как постоянное (DC) напряжения смещения, или однополярное импульсное напряжение смещения (относительно стенок камеры). Для импульсного смещения при определенном рабочем цикле и частоте импульсного смещения. Катоды действовали в режиме дугового разряда с током 200 А (каждый) в течение 60 минут. Был осажден слой, имеющий толщину около 3 мкм.

Различные комбинации технологических параметров показаны в Таблице 1.

Таблица 1. Слои Ti_0,33Al_0,67N

Образец № Напряжение смещения (В) Время включения (мкс) Время выключения (мкс) Рабочий цикл
(%) Частота импульсного смещения (кГц) Давление (Па) 1. (сравнительный) -150 Не имеет отношения Не имеет отношения Не имеет отношения Не имеет отношения 3,5 2. (сравнительный) -100 Не имеет отношения Не имеет отношения Не имеет отношения Не имеет отношения 3,5 3. (сравнительный) -100 Не имеет отношения Не имеет отношения Не имеет отношения Не имеет отношения 1 4. (изобретение) -300 однополярные импульсы 20 500 3,8 1,9 3,5 5. (изобретение) -300 однополярные импульсы 50 500 9,1 1,8 3,5 6. (изобретение) -300 однополярные импульсы 20 200 9,1 4,5 3,5 7. (сравнительный) -300 однополярные импульсы 20 100 16,7 8,3 3,5 8. (сравнительный) -300 однополярные импульсы 20 60 25 12,5 3,5 9. (сравнительный) -300 однополярные импульсы 3 30 9,1 30 3,5 10. (сравнительный) -300 однополярные импульсы 2 20 9,1 45 3,5 11. (сравнительный) -300 однополярные импульсы 2 45 4 20 3,5 12. (сравнительный) -300 однополярные импульсы 4 96 4 10 3,5 13. (изобретение) -200 однополярные импульсы 20 500 3,8 1,9 3,5 14. (изобретение) -150 однополярные импульсы 20 500 3,8 1,9 3,5 15. (изобретение) -100 однополярные импульсы 20 500 3,8 1,9 3,5 16. (изобретение) -75 однополярные импульсы 20 500 3,8 1,9 3,5 17. (изобретение) -50 однополярные импульсы 20 500 3,8 1,9 3,5

Рентгенодифракционный (XRD) анализ проводился на боковой поверхности пластин с покрытием с использованием дифрактометра Bruker D8 Discover, оснащенного 2D-детектором (VANTEC-500) и рентгеновским IμS-источником (Cu-K_á, 50,0 кВ, 1,0 мА) со встроенным зеркалом параллельного пучка Монтеля. Режущие пластины режущего инструмента с покрытием были установлены в держателях образцов, которые обеспечивают то, что боковые поверхности образцов были параллельны контрольной поверхности держателя образца, и также то, что боковая поверхность была на надлежащей высоте. Интенсивность дифракции от покрытого режущего инструмента измерялась по 2θ-углам, где проявлялись соответственные пики, так, что включен по меньшей мере диапазон от 35° до 50°. Анализ данных, в том числе вычитание фона и удаление Cu-K_α2, выполнялся с использованием пакета программ X'Pert HighScore Plus от PANalytical. Для анализа пиков использовалась аппроксимация по псевдофункции Войта. Коррекция тонкой пленки для полученных интенсивностей пиков не применялась. Возможное перекрывание пика (111) или (200) с любым дифракционным максимумом, не относящимся к PVD-слою, например, рефлексом подложки, такого как WC, компенсировалось с помощью программного обеспечения (деконволюцией (разверткой) объединенных пиков) при определении интенсивностей пиков и значений ширины пиков.

Фиг. 1 показывает объединенные рентгеновские дифрактограммы (без удаления Cu-K_α2) для покрытий Образцов 1-3, где использовалось DC-смещение. Фиг. 2 показывает объединенные рентгеновские дифрактограммы (без удаления Cu-K_α2) для покрытий Образцов 4-8, где использовалось импульсное напряжение смещения -300 В, и варьировались отношение длительности импульса к периоду повторения и частота импульсного смещения. Фиг. 3 показывает объединенные рентгеновские дифрактограммы (без удаления Cu-K_α2) для покрытий Образцов 9-12, где использовалось импульсное напряжение смещения -300 В, и варьировались отношение длительности импульса к периоду повторения и частота импульсного смещения. Фиг. 4 показывает объединенные рентгеновские дифрактограммы (без удаления Cu-K_α2) для покрытий Образцов 13-17, где варьировалось импульсное напряжение смещения при фиксированных отношении длительности импульса к периоду повторения и частоте импульсного смещения.

Ясно, что Образцы 4-6 и Образцы 13-16, которые были получены согласно изобретению, проявляют резкий пик (111). Фиг. 5-7 показывают увеличенные части дифрактограмм для Образцов 4-6 около пика (111) (с удалением Cu-K_α2). Фиг. 8-11 показывают увеличенные части дифрактограмм для Образцов 13-16 около пика (111) (с удалением Cu-K_α2). Были определены значения FWHM и FWQM для пика (111) Образцов 4-6 и Образцов 13-16, а также соотношение I(111)/I(200).

Фиг. 12 показывает SEM-изображение поверхности Образца 4. Кристаллические зерна являются четко ограненными по всей поверхности.

Результаты показаны в Таблице 2.

Таблица 2. Результаты SEM-анализа, XRD-анализа и анализа остаточного напряжения

Образец № Ограненные кристаллические зерна на поверхности I(111)/I(200)
интенсивностей максимумов FWHM I(111),
[°2θ] FWQM I(111),
[°2θ] Остаточное напряжение* (ГПа) 1.
(сравнительный) Нет 0,8 0,60 1,2 -5,5 2.
(сравнительный) Нет 1,0 0,35 0,65 3.
(сравнительный) Нет 3,2 0,43 0,95 4.
(изобретение) Да, повсюду 2,5 0,16 0,27 -0,5 5.
(изобретение) Да, повсюду 1,0 0,18 0,27 6.
(изобретение) Да, повсюду 1,0 0,16 0,25 7.
(сравнительный) Нет 0,1 0,89 - 8.
(сравнительный) Нет 0,4 0,76 1,1 9.
(сравнительный) Нет 0,4 0,42 0,57 10.
(сравнительный) Нет 0,5 0,29 0,45 11.
(сравнительный) Нет 0,5 0,28 0,54 12.
(сравнительный) Нет 0,6 0,36 0,59 13.
(изобретение) Да, повсюду 2,7 0,15 0,34 14.
(изобретение) Да, повсюду 3,9 0,14 0,30 15.
(изобретение) Да, повсюду 3,4 0,15 0,31 16.
(изобретение) Да, повсюду 3,6 0,15 0,31 17.
(изобретение) Нет 0,6 0,29 0,52

*Только для Образцов № 1 и 4

Пример 2

Слои, как перечисленные в Таблице 3, были соответственно осаждены на заготовки пластин режущего инструмента из спеченного цементированного карбида с геометрией SNMA120804, с таким же составом, как в Примере 1, и также с использованием той же вакуумной PVD-камеры и согласно той же процедуре, как в Примере 1, но с заменой мишеней из сплава Ti_0,33Al_0,67 на, соответственно, Ti-мишени, мишени из сплава Cr_0,30Al_0,70, мишени из сплава Ti_0,30Zr_0,20Al_0,50, мишени из сплава Zr_0,65Al_0,35, или мишени из сплава Ti_0,85Si_0,15. Применялись такие же параметры смещения и давления, как для Образца 4 в Примере 1. Смотри Таблицу 3.

Таблица 3

Образец № Состав PVD-слоя* Напряжение смещения (В) Время включения (мкс) Время выключения (мкс) Рабочий цикл
(%) Частота импульсного смещения (кГц) Давление (Па) 18.
(изобретение) TiN 300, однополярные импульсы 20 500 3,8 1,9 3,5 19.
(изобретение) Cr_0,30Al_0,70N 300, однополярные импульсы 20 500 3,8 1,9 3,5 20.
(изобретение) Ti_0,30Zr_0,20Al_0,50N 300, однополярные импульсы 20 500 3,8 1,9 3,5 21.
(изобретение) Zr_0,65Al_0,35N 300, однополярные импульсы 20 500 3,8 1,9 3,5 22.
(изобретение) Ti_0,85Si_0,15N 300, однополярные импульсы 20 500 3,8 1,9 3,5 23.
(изобретение) Ti_0,40Si_0,05Al_0,55N 300, однополярные импульсы 20 500 3,8 1,9 3,5

*на основе состава мишени

Фиг. 13 показывает объединенные рентгеновские дифрактограммы (без удаления Cu-K_α2) для покрытий Образцов 18-20, все из которых проявляют резкий пик (111). Фиг. 14 показывает объединенные рентгеновские дифрактограммы (без удаления Cu-K_α2) для покрытий Образцов 21-23, все из которых проявляют резкий пик (111). Фиг. 15-20 показывают резкий пик (111). Fig. 15-20 показывают увеличенные части дифрактограмм для Образцов 4-6 около пика (111) (с удалением Cu-K_α2). Были рассчитаны значения FWHM и FWQM, и проведены измерения остаточного напряжения. Смотри обобщающую результаты Таблицу 4.

Таблица 4. Результаты SEM-анализа, XRD-анализа и анализа остаточного напряжения

Образец № PVD-слой* Ограненные кристаллические зерна на поверхности I(111)/I(200)
интенсивностей максимумов FWHM I(111),
[°2θ] FWQM I(111),
[°2θ] Остаточное напряжение (ГПа)** 18.
(изобретение) TiN Да, повсюду 15,1 0,14 0,22 19.
(изобретение) Cr_0,30Al_0,70N Да, повсюду 1,2 0,19 0,39 20.
(изобретение) Ti_0,30Zr_0,20Al_0,50N Да, повсюду 9,0 0,23 0,43 21.
(изобретение) Zr_0,65Al_0,35N Нет 5,5 0,17 0,32 22.
(изобретение) Ti_0,85Si_0,15N Да, повсюду 5,5 0,16 0,35 23.
(изобретение) Ti_0,4Si_0,05Al_0,55N Да, повсюду 5,7 0,16 0,34 -0,5

*на основе состава мишени

**только для Образца № 23

Сделан вывод, что Образцы 18-23 создают покрытия с очень узкими пиками (111) в рентгеновской дифракции.

Предложенная группа изобретений относится к режущему инструменту с покрытием и cпособу его изготовления. Покрытие режущего инструмента включает PVD-слой (A), представляющий собой соединение формулы Me_xSi_yAl_zC_aN_bO_c, x+y+z=1, 0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤c≤0,2, a+b+c=1, и 0≤x≤1, 0≤y≤0,4, 0≤z≤0,1, или 0≤x≤1, 0≤y≤0,1, 0≤z≤0,75. Me представляет один или более металлов групп 4, 5 и 6 периодической таблицы элементов ИЮПАК. PVD-слой (A) осаждают катодно-дуговым испарением с приложением импульсного напряжения смещения от -40 до -450 В к подложке, и с использованием рабочего цикла менее чем 12%, и частоты импульсного смещения менее чем 10 кГц. PVD-слой (A) имеет кристаллическую структуру, имеющую значение полной ширины на половине пика (FWHM) для (111)-пика кубической структуры в картине рентгеновской дифракции, составляющее ≤0,3 градуса (2тета). Обеспечивается режущий инструмент с покрытием, обладающим улучшенными адгезионными свойствами к подложке, устойчивостью к скалыванию и улучшенной износостойкостью, такой как стойкость к луночному износу и/или сопротивление износу по задней поверхности. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 20 ил., 4 табл., 2 пр.

1. Способ изготовления режущего инструмента с покрытием, содержащего подложку и покрытие, причем покрытие включает PVD-слой (А), представляющий собой соединение формулы Me_xSi_yAl_zC_aN_bO_c, x+y+z=1, 0≤а≤1, 0≤b≤1, 0≤с≤0,2, а+b+с=1, и

0≤х≤1, 0≤y≤0,4, 0≤z≤0,1, или

0≤х≤1, 0≤y≤0,1, 0≤z≤0,75,

причем Me представляет один или более металлов групп 4, 5 и 6 периодической таблицы элементов ИЮПАК, при этом PVD-слой (А) осаждают катодно-дуговым испарением с приложением импульсного напряжения смещения от -40 до -450 В к подложке, и с использованием рабочего цикла менее чем 12%, и частоты импульсного смещения менее чем 10 кГц.

2. Способ по п. 1, в котором рабочий цикл составляет от 2 до 10%.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором частота импульсного смещения составляет от 0,1 до 8 кГц.

4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором импульсное напряжение смещения составляет от -50 до -350 В.

5. Режущий инструмент с покрытием, характеризующийся тем, что покрытие содержит PVD-слой (А), представляющий собой соединение формулы Me_xSi_yAl_zC_aN_bO_c, в которой x+y+z=1, 0≤а≤1, 0≤b≤1, 0≤с≤0,2, а+b+с=1, и

0≤х≤1, 0≤y≤0,4, 0≤z≤0,1, или

0≤х≤1, 0≤y≤0,1, 0≤z≤0,75,

причем Me представляет один или более металлов групп 4, 5 и 6 периодической таблицы элементов ИЮПАК, PVD-слой (А) имеет кристаллическую структуру, имеющую значение полной ширины на половине пика (FWHM) для (111)-пика кубической структуры в картине рентгеновской дифракции, составляющее ≤0,3 градуса (2 тета).

6. Режущий инструмент с покрытием по п. 5, в котором PVD-слой (А) имеет значение FWHM для (111)-пика кубической структуры в картине рентгеновской дифракции, составляющее ≤0,25 градуса (2 тета).

7. Режущий инструмент с покрытием по п. 5 или 6, в котором PVD-слой (А) имеет соотношение максимумов интенсивности пиков I(111)/I(200) в картине рентгеновской дифракции, составляющее ≥0,6.

8. Режущий инструмент с покрытием по любому из пп. 5-7, в котором PVD-слой (А) имеет остаточное напряжение, составляющее >-3 ГПа.

9. Режущий инструмент с покрытием по любому из пп. 5-8, в котором PVD-слой (А) включает ограненные кристаллические зерна на своей поверхности.

10. Режущий инструмент с покрытием по любому из пп. 5-9, в котором толщина PVD-слоя (А) составляет от 0,5 до 20 мкм.

11. Режущий инструмент с покрытием по любому из пп. 5-10, в котором PVD-слой (А) представляет собой соединение формулы:

Ti_pZr_qCr_rSi_sAl_tC_aN_bO_c,

0≤р≤1, 0≤q≤1, 0≤r≤1, 0≤s≤0,4, 0≤t≤0,1, p+q+r+s+t=1,

0≤а≤1, 0≤b≤1, 0≤с≤0,2, а+b+с=1 или

Ti_pZr_qCr_rSi_sAl_tC_aN_bO_c,

0≤р≤1, 0≤q≤1, 0≤r≤1, 0≤s≤0,1, 0≤t≤0,75, p+q+r+s+t=1, 0≤а≤1, 0≤b≤1, 0≤с≤0,2, а+b+с=1.

12. Режущий инструмент с покрытием по п. 11, в котором в формуле для PVD-слоя (А) 0,9≤р≤1, 0≤q≤0,1, 0≤r≤0,1, 0≤s≤0,1, 0≤t≤0,1.

13. Режущий инструмент с покрытием по п. 11, в котором в формуле для PVD-слоя (А) 0,25≤р≤0,9, 0≤q≤0,1, 0≤r≤0,1, 0≤s≤0,1, 0,1≤t≤0,75.

14. Режущий инструмент с покрытием по п. 11, в котором в формуле для PVD-слоя (А) 0≤р≤0,1, 0≤q≤0,1, 0,2≤r≤1, 0≤s≤0,1, 0,1≤t≤0,75.

15. Режущий инструмент с покрытием по п. 11, в котором в формуле для PVD-слоя (А) 0,1≤р≤0,5, 0,1≤q≤0,5, 0≤r≤0,1, 0≤s≤0,1, 0,25≤t≤0,6.

16. Режущий инструмент с покрытием по п. 11, в котором в формуле для PVD-слоя (А) 0≤р≤0,1, 0,4≤q≤1, 0≤r≤0,1, 0≤s≤0,1, 0≤t≤0,5.

17. Режущий инструмент с покрытием по п. 11, в котором в формуле для PVD-слоя (А) 0,2≤р≤0,6, 0≤q≤0,1, 0≤r≤0,1, 0≤s≤0,1, 0,35<t≤0,75.

18. Режущий инструмент с покрытием по п. 11, в котором в формуле для PVD-слоя (А) 0,7≤р≤0,95, 0≤q≤0,1, 0≤r≤0,1, 0,01<s≤0,3, 0≤t≤0,1.

19. Режущий инструмент с покрытием по любому из пп. 5-18, в котором в формуле для PVD-слоя (А) 0≤а≤0,25, 0,75≤b≤1, 0≤с≤0,05, а+b+с=1.