РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С CVD-ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2020 года по МПК B23B27/14 C23C28/04 C23C16/36 C23C16/40 

Область техники

Настоящее изобретение относится к режущему инструменту с покрытием, предназначенному для стружкообразующей механической обработки металлов, содержащему основу, поверхность которой имеет покрытие, нанесенное способом химического осаждения из паровой фазы (CVD-покрытие). Предлагаемый настоящим изобретением режущий инструмент с покрытием особенно хорошо подходит для приложений с высокими требованиями к абразивной износостойкости, например, для фрезерования, токарной обработки или сверления металлического материала, такого как легированная сталь, углеродистая сталь или вязкая закаленная сталь.

Уровень техники

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD, от английского Chemical Vapour Deposition) износостойких покрытий на твердосплавные режущие инструменты практикуется в промышленности уже много лет. Оказалось, что такие покрытия, как TiCN и Al₂O₃, улучшают износостойкость режущих пластин при резке многих разных материалов. Комбинацию внутреннего слоя из TiCN и наружного слоя из α-Al₂O₃ можно найти на многих промышленных режущих пластинах, предназначенных для фрезерования или токарной обработки, например, стали.

Патент EP1905870A2 описывает режущую пластину с покрытием, содержащую покрытие с по меньшей мере одним слоем α-Al₂O₃, имеющее выраженную текстуру в направлении <001>. Улучшена прочность кромки режущей пластины при токарной обработке.

Цель изобретения

Целью изобретения является разработать покрытую оксидом алюминия режущую пластину, имеющую улучшенные характеристики в процессах резания. Следующей целью изобретения является разработать режущий инструмент с покрытием, имеющий улучшенную износостойкость, например повышенное сопротивление язвенному износу, сопротивление отслаиванию покрытия при пластической деформации режущей кромки, сопротивление термическим трещинам при резке со смазкой или без смазки и/или повышенную прочность кромочной линии. Другой целью изобретения является предложить режущий инструмент с улучшенными характеристиками при фрезеровании, например, фрезеровании стали, легированных сталей, углеродистых сталей и вязких закаленных сталей.

Описание изобретения

По меньше мере одна из названных выше целей достигается посредством режущего инструмента по пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления описаны в зависимых пунктах.

Режущий инструмент согласно настоящему изобретению содержит основу, имеющую покрытие, содержащее слой α-Al₂O₃, причем толщина слоя α-Al₂O₃ составляет 2-4 мкм и причем α-Al₂O₃ имеет коэффициент текстуры TC(hkl), измеряемый рентгеновской дифракцией с использованием облучения CuKα и сканирования θ-2θ и определяемый по формуле Харриса

(1)

где

I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность (проинтегрированная площадь) отражения (hkl), I₀(hkl) представляет собой стандартную интенсивность в соответствии с PDF-картой ICDD № 00-010-0173, n представляет собой число отражений, используемое в расчетах, и где используемые отражения (hkl) являются следующими: (104), (110), (113), (024), (116), (214), (300) и (0012),

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

и причем отношение I(0012)/I(0114), где I(0012) представляет собой измеренную интенсивность (проинтегрированная площадь) отражения (0012), а I(0114) представляет собой измеренную интенсивность (проинтегрированная площадь) отражения (0114), ≥0,8 или ≥1, предпочтительно ≥1,5, более предпочтительно ≥1,7, наиболее предпочтительно ≥2.

Кроме того, покрытие согласно настоящему изобретению содержит слой TiCN, нанесенный способом среднетемпературного осаждения из паровой фазы (MTCVD-слой), расположенный между основой и слоем α-Al₂O₃, причем толщина указанного MTCVD-слоя TiCN составляет 2-3 мкм. Кристаллиты в MTCVD-слое TiCN являются столбчатыми.

MTCVD-слой TiCN имеет полюсную фигуру {211}, измеренную методом EBSD в части MTCVD-слоя TiCN параллельно наружной поверхности покрытия на расстоянии менее 1 мкм, предпочтительно менее 0,5 мкм от наружной поверхности MTCVD-слоя TiCN, причем полюсная диаграмма, полученная на основе данных полюсной фигуры, с угловым шагом 0,25° в диапазоне углов наклона 0°≤β≤45° к нормали к внешней поверхности покрытия имеет отношение интенсивности для диапазона углов наклона β≤15° к интенсивности для диапазона 0°≤β≤45°, больше или равное 45%.

В одном варианте осуществления MTCVD-слой TiCN имеет полюсную фигуру {110}, измеренную методом EBSD в той же части MTCVD-слоя TiCN, какая определена выше, причем полюсная диаграмма на основе данных полюсной фигуры с угловым шагом 0,25° в диапазоне углов наклона 0°≤β≤45° к нормали к внешней поверхности покрытия имеет отношение интенсивности для углов наклона β≤15° к интенсивности для диапазона 0°≤β≤45°, меньше или равное ≤30%.

Полюсная фигура и полюсная диаграмма MTCVD-слоя TiCN сняты для части слоя, которая находится вблизи слоя α-Al₂O₃. Полюсная фигура и полюсная диаграмма сняты на расстоянии в пределах 1 мкм, предпочтительно менее 0,5 мкм от внешней поверхности MTCVD-слоя TiCN, которая близка к слою α-Al₂O₃.

Как показано в представленных ниже испытаниях на фрезерование, этот MTCVD-слой TiCN оказался выгоден тем, что можно в некоторых отношениях улучшить износостойкость конечного режущего инструмента. Режущий инструмент по настоящему изобретению демонстрирует более высокое сопротивление язвенному износу, более высокое сопротивление отслаиванию покрытия при пластической деформации режущей кромки, более высокое сопротивление термическим трещинам при резке со смазкой и без смазки и повышенную прочность режущей кромки. Выяснилось, что текстура внешней части MTCVD-слоя TiCN имеет большое значение для срока службы режущего инструмента, и что рентгеноструктурное исследование текстуры, которое дает информацию о слое в целом, недостаточно для обнаружения улучшенных свойств присутствующего MTCVD-слоя TiCN. Вместо этого измерения в части MTCVD-слоя TiCN вблизи слоя α-Al₂O₃ проводятся методом EBSD.

Слой α-Al₂O₃ обычно наносят методом термохимического осаждения из паровой фазы. Альтернативно можно применять другие способы CVD-осаждения. Это относится также к любым дополнительным слоям покрытия, описываемым ниже. При этом высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы HTCVD (high-temperature CVD) представляет собой способ CVD, осуществляемый в диапазоне температур 950-1050°C, а среднетемпературное осаждение из паровой фазы MTCVD (moderate-temperature CVD) в диапазоне температур 800-950°C.

Слой α-Al₂O₃ покрывает по меньшей мере зону режущего инструмента, которая задействована в резке в процессе резания, покрывает по меньшей мере зоны, открытые язвенной коррозии и/или износу по задней поверхности. Альтернативно, весь режущий инструмент может быть покрыт слоем α-Al₂O₃ и/или любыми дополнительными слоями покрытия.

При этом сильная текстура в направлении <001> означает статистически предпочтительный рост в кристаллографической плоскости α-Al₂O₃ (001) параллельной поверхности основы, т.е. более выраженный, чем в других кристаллографических плоскостях, параллельных поверхности основы. Одна возможность охарактеризовать предпочтительную текстуру состоит в определении коэффициента текстуры TC(hkl), рассчитываемого по формуле Харриса (формула (1) выше) на основе определенного набора рентгенодифракционных отражений, измеренных на соответствующем образце. Интенсивности рентгенодифракционных отражений калибруют, используя карту базы данных JCPDF, указывающую интенсивности рентгенодифракционных отражений того же самого материала, например, α-Al₂O₃, но в случайной ориентации, например, материала в форме порошка. Значение коэффициента текстуры TC(hkl) слоя кристаллического материала, превышающее 1, является указанием на то, что зерна кристаллического материала чаще ориентированы их кристаллографической плоскостью (hkl) параллельно поверхности основы, чем в случайном распределении. Коэффициент текстуры TC(0012) используется в настоящем документе для указания предпочтительного роста кристаллов в кристаллографическом направлении <001>. В кристаллографической системе α-Al₂O₃ кристаллографическая плоскость (001) параллельна кристаллографическим плоскостям (006) и (0012).

В одном варианте осуществления настоящего изобретения толщина слоя α-Al₂O₃ составляет 2-4 мкм, предпочтительно 2,5-3,5 мкм.

В контестве изобретения под MTCVD-слоем TiCN понимается слой Ti(C_x,N_1-x), где 0,2≤x≤0,8, предпочтительно 0,3≤x≤0,7, более предпочтительно 0,4≤x≤0,6. Отношение C/(C+N) в MTCVD-слое TiCN можно определить, например, из микрозондового анализа.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения покрытие дополнительно включает связующий слой, содержащий слои TiN, TiCN, TiCNO и/или TiCO или их комбинацию, осажденные способом высокотемпературного CVD (HTCVD-слой), предпочтительно HTCVD-слои TiCN и TiCNO, находящиеся дальше всего от MTCVD-слоя TiCN и примыкающие к слою α-Al₂O₃. Связующий слой предназначен для усиления адгезии между MTCVD-слоем TiCN и слоем α-Al₂O₃. Связующий слой предпочтительно окисляют до осаждения слоя α-Al₂O₃. Связующий слой содержит кристаллиты, не являющиеся столбчатыми, например, равноосные кристаллические зерна. Толщина указанного связующего слоя предпочтительно составляет 0,5-2 мкм, 0,5-1,5 или 0,5-1мкм. Толщину связующего слоя можно измерить, например, из снимка в сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) сечения покрытия.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения покрытие содержит MTCVD-слой TiCN толщиной 2-3 мкм и слой α-Al₂O₃ толщиной 2-4 мкм. Связующий слой в этом варианте осуществления предпочтительно имеет толщину 0,5-1 мкм.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения покрытие содержит внутренний слой TiN, предпочтительно толщиной 0,3-0,6 мкм. Слой TiN предпочтительно примыкает к основе.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения основа является цементированным карбидом, металлокерамикой или керамикой. Эти основы имеют твердость и ударную вязкость, подходящие для покрытий по настоящему изобретению.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения основа режущего инструмента с покрытием состоит из цементированного карбида, содержащего 8-15 масс.% Co, предпочтительно 8,5-14,5 масс.% Co, необязательно 0,5-3 масс.% кубических карбидов, нитридов или карбонитридов металлов из групп IVb, Vb и VIb периодической системы элементов, предпочтительно Nb, Ta, Cr или их комбинации, остальное WC. В этом варианте осуществления режущий инструмент может представлять собой режущую пластину для фрез.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения слой α-Al₂O₃ является верхним слоем покрытия. Альтернативно, один или более дополнительных слоев может покрывать слой α-Al₂O₃, таких как слои TiN, TiC, Al₂O₃ и/или их комбинации. В одном варианте осуществления настоящего изобретения указанные один или более дополнительных слоев, покрывающих слой α-Al₂O₃, удаляют с боковой поверхности, или с передней поверхности, или с режущей кромки, или их комбинации.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения покрытие дополнительно обрабатывают посредством дробеструйной обработки или чистки щеткой, чтобы снять растягивающие напряжения со слоев, нанесенных методом CVD, и уменьшить шероховатость поверхности.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения режущий инструмент является режущей пластиной для фрез.

Настоящее изобретение относится также к применению описанного в настоящем документе режущего инструмента с покрытием при фрезеровании, например, стали, предпочтительно легированной стали, углеродистой стали или вязкой закаленной стали. Указанные режущие инструменты продемонстрировали, в частности, повышенные характеристики в отношении операций, требующих стойкости к язвенному износу и износу по задней поверхности, сопротивления отслаивания при пластической деформации режущей кромки и сопротивления образованию термических трещин.

Методы

Осаждение CVD-покрытия

CVD-покрытия в нижеследующих примерах осаждали в оборудовании для ион-ассистированного CVD радиального типа серии 530, способного вместить 10000 полудюймовых режущих пластин.

Рентгеноструктурные измерения

Чтобы исследовать текстуру слоев, проводили рентгеноструктурное исследование боковой поверхности, используя дифрактометр PANalytical CubiX3, оборудованный детектором PIXcel. Режущие инструменты с покрытием устанавливали в держатели образцов, чтобы обеспечить, что боковые поверхности образцов будут параллельны базовой поверхности держателя образца, а также то, что боковая поверхность находится на надлежащей высоте. Для измерений использовали излучение Cu-Kα при напряжении 45 кВ и токе 40 мА. Использовали антирассеивающую щель размером 1/2 градуса и щель расходимости размером 1/2 градуса. Интенсивность излучения, дифрагированного от режущего инструмента с покрытием, измеряли в диапазоне углов 2θ от 20° до 140°, т.е., в диапазоне углов падения θ от 10° до 70°.

Анализ данных, в том числе вычитание фона, отделение Cu-K_α2 и аппроксимация профиля данных, был реализован с использованием программы PANalytical's X'Pert HighScore Plus. Выходные данные этой программы (проинтегрированные площади пиков для подогнанных кривых профиля) использовались затем для расчета коэффициентов текстуры слоя путем сравнения отношения измеренных данных по интенсивности к стандартным данным по интенсивности, соответствующим PDF-карте конкретного слоя (например, слоя TiCN или α-Al₂O₃), используя описанную выше формулу Харриса (1). Так как слой представлял собой пленку конечной толщины, относительные интенсивности двух пиков на разных углах 2θ отличаются от интенсивностей для объемного образца из-за разницы длины пути через слой. Поэтому к интегрированным интенсивностям площади пика, определенным из подгоночной кривой профиля, применяли поправку на тонкую пленку, учитывая также линейный коэффициент поглощения слоя при расчете значений TC. Поскольку возможные дополнительные слои выше, например, слоя α-Al₂O₃, будут влиять на интенсивности рентгеновских лучей, входящих в слой α-Al₂O₃ и выходящих из покрытия в целом, для них также необходимо внести поправки, учитывая линейный коэффициент поглощения для соответствующего соединения в слое. Это же применяется для рентгеноструктурных измерений на слое TiCN, если слой TiCN находится ниже, например, слоя α-Al₂O₃. Альтернативно, дополнительный слой, такой как TiN, выше слоя оксида алюминия может быть удален способом, который не влияет существенно на результаты рентгеноструктурных измерений, например, химическим травлением.

Чтобы исследовать текстуру слоя α-Al₂O₃, проводили рентгеновскую дифракцию, используя излучение CuK_α, и коэффициенты текстуры TC(hkl) для разных направлений роста столбчатых кристаллитов слоя α-Al₂O₃ рассчитывали по описанной выше формуле Харриса (1), в которой I(hkl)=измеренная (проинтегрированная площадь) интенсивность отражения (hkl), I₀(hkl)=стандартная интенсивность согласно PDF-карте ICDD № 00-010-0173, n=число отражений, использованных в расчетах. В данном случае использовались следующие отражения (hkl): (104), (110), (113), (024), (116), (214), (300) и (0012). При расчете отношения I(0012)/I(0114) интенсивности (проинтегрированные площади) пика (0012) и пика (0114) делили независимо от какой-либо PDF-карты. Перед расчетом указанного отношения измеренную проинтегрированную площадь пика корректировали на тонкую пленку, а также делали поправку на любые другие слои, лежащие выше (т.е., над) слоя α-Al₂O₃.

Коэффициенты текстуры TC(hkl) для разных направлений роста столбчатых кристаллов слоя TiCN рассчитывали по описанной выше формуле Харриса (1), где I(hkl) есть измеренная интенсивность (проинтегрированная площадь) отражения (hkl), I₀(hkl) есть стандартная интенсивность согласно PDF-карте ICDD № 42-1489, и n есть число отражений, используемых в расчете. В этом случае использовались следующие отражения (hkl): (111), (200), (220), (311), (331), (420) и (422).

Следует отметить, что при рентгеноструктурном анализе покрытий, содержащих, например, несколько кристаллических слоев, и/или покрытий, осажденных на основу, содержащую кристаллические фазы, может иметь место такое явление как перекрывание пиков, и это специалист должен это учитывать и компенсировать. Перекрытие пиков от слоя α-Al₂O₃ с пиками от слоя TiCN может повлиять на результаты измерения и должно учитываться. Следует также отметить, что, например, WC в основе может иметь дифракционные пики, близкие к релевантным пикам по настоящему изобретению.

EBSD-измерение

Поверхности режущих пластин с покрытием готовили для определения характеристик методом дифракции отраженных электронов (EBSD), полируя поверхность покрытия с использованием индентирующего шлифовального устройства Dimple Grinder фирмы Gatan Inc., модель 656, с 20-миллиметровым фетровым кругом, нанося вес 20 граммов и используя полировочную суспензию фирмы Buehlers под названием "Master Polish 2". Полирование осуществляли до получения достаточно больших и гладких поверхностей MTCVD-покрытий из TiCN, тем самым гарантируя, что характеризуемая область относится к верхней части MTCVD-покрытия из TiCN. Поверхности сразу же чистили, чтобы удалить остатки полировочной суспензии, и сушили струями очищенного воздуха.

Подготовленные образцы устанавливали на держатель образцов и вставляли в сканирующий электронный микроскоп (СЭМ). Образцы наклоняли под 70° к горизонтальной плоскости и к EBSD-детектору. В качестве СЭМ для характеризации использовался микроскоп Zeiss Supra 55 VP, работающий под напряжением 15 кВ, с апертурной диафрагмой 60 мкм, в режиме "сильный ток" и в режиме переменного давления (VP) при давлении в камере СЭМ 0,128 торр. В качестве EBSD-детектора использовали детектор NordlysMax фирмы Oxford Instruments, работающий с программой "AZtec", также фирмы Oxford Instruments, версия 3,1. Сбор данных EBSD осуществляли, облучая сфокусированным пучком электронов полированные поверхности и последовательно собирая данные EBSD, используя длину шага 0,05 мкм для 500×300 (X x Y) точек измерения. Опорная фаза, используемая в программе "AZtec" для сбора данных, обозначенная как "Ti2 C N" в программе "AZtec", была взята из "Electrochem. Soc. [JESOAN], (1950), v. 97, pp 299-304".

Краткое описание чертежей

Фигура 1

СЭМ-снимок сечения покрытия C01 согласно изобретению. Покрытие содержит слой TiN (E), MTCVD-слой TiCN (D), связующий слой (B) и наружный слой α-оксида алюминия (A). Участок (C) MTCVD-слоя TiCN, который демонстрирует полюсную диаграмму EBSD, указан на фигуре.

Фигура 2. Контурные варианты полюсных фигур {211} и {110} для покрытия C01. Максимальная интенсивность установлена на 3, как указано меткой.

Фигура 3. Полюсная диаграмма {211}, построенная по данным EBSD полюсной фигуры для покрытия C01 с угловым шагом 0,25° в диапазоне углов наклона 0°≤ β ≤ 45°.

Фигура 4. Полюсная диаграмма {110}, построенная по данным EBSD полюсной фигуры для покрытия C01 с угловым шагом 0,25° в диапазоне углов наклона 0°≤ β ≤ 45°.

Фигура 5. Контурные варианты полюсных фигур {211} и {110} для покрытия C06. Максимальная интенсивность установлена на 3, как указано меткой.

Фигура 6. Полюсная диаграмма {211}, построенная по данным EBSD полюсной фигуры для покрытия C06 с угловым шагом 0,25° в диапазоне углов наклона 0°≤ β ≤ 45°.

Фигура 7. Полюсная диаграмма {110}, построенная по данным EBSD полюсной фигуры для покрытия C06 с угловым шагом 0,25° в диапазоне углов наклона 0°≤ β ≤ 45°.

Примеры

Далее будут более подробно описаны примеры вариантов осуществления настоящего изобретения, которые сравниваются с контрольными вариантами. Режущие инструменты с покрытием (режущие пластины) изготавливали, анализировали и исследовали в испытании на резку.

Пример 1 - Приготовление покрытия

Покрытие C01

Режущие пластины с геометриями Coromant R390-11T308M-PM, Coromant R245-12T3 M-PM1 и ISO SNMA 120408 покрывали сначала тонким слоем TiN толщиной приблизительно 0,4 мкм, затем слоем TiCN толщиной приблизительно 2,5 мкм, применяя хорошо известный метод MTCVD, используя TiCl₄, CH₃CN, N₂, HCl и H₂ при 885°C. Детали осаждения слоев TiN и TiCN приведены в таблице 1.

Таблица 1. Осаждение MTCVD-слоев TiN и TiCN

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

Продолжительность осаждения внутреннего слоя TiCN и наружного слоя TiCN составляла 10 и 65 минут, соответственно. Поверх MTCVD-слоя TiCN осаждали связующий слой толщиной 0,5-1 мкм при 1000°C способом, включающим четыре отдельные реакционные стадии. Сначала проводили стадию нанесения HTCVD-слоя TiCN с использованием TiCl₄, CH₄, N₂, HCl и H₂ при 400 мбар, затем вторую стадию нанесения слоя (TiCNO-1) с использованием TiCl₄, CH₃CN, CO, N₂ и H₂ при 70 мбар, затем третью стадию (TiCNO-2) с использованием TiCl₄, CH₃CN, CO, N₂ и H₂ при 70 мбар и, наконец, четвертую стадию (TiCNO-3) с использованием TiCl₄, CO, N₂ и H₂ при 70 мбар. На третьей и четвертой стадиях осаждения некоторые из газов непрерывно заменяли в соответствии с первым начальным уровнем и вторым начальным уровнем, представленными в таблице 2. До начала последующей нуклеации Al₂O₃ связующий слой окисляли 4 минуты в смеси CO₂, CO, N₂ и H₂. Детали осаждения связующего слоя приведены 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.%] HTCVD TiCN 400 67,9 25,5 3,4 1,7 - 1,56 - - TiCNO-1 70 83,7 12 - 1,2 1,2 1,5 0,4 - TiCNO-2 70 63,1-
61,7 31,5-
30,9 - - 1,6-
3,7 3,15-
3,09 0,66-
0,64 - TiCNO-3 70 62,1-
61,5 31,1-
30,8 - - 3,7-
4,6 3,11-
3,08 - - Окисление 55 53,8 30 - - 12,5 - - 3,7

Поверх связующего слоя осаждали слой α-Al₂O₃. Слой α-Al₂O₃ осаждали при 1000°C и 55 мбар в две стадии. На первой стали использовали 1,2 об.% AlCl₃, 4,7 об.% CO₂, 1,8 об.% HCl, остальное H₂, что дало в результате толщину слоя α-Al₂O₃ около 0,1 мкм, а на второй стадии использовали 1,2% AlCl₃, 4,7% CO₂, 2,9% HCl, 0,58% H₂S, остальное H₂, что дало полную толщину слоя α-Al₂O₃ около 3 мкм.

СЭМ-снимок сечения подвергнутого дробеструйной обработке покрытия C01 показан на фигуре 1. Если смотреть от основы, покрытие C01 содержит слой TiN, MTCVD-слой TiCN, т.е., внутренний и наружный MTCVD-слои TiCN, связующий слой, т.е., HTCVD TiCN, TiCNO-1, TiCNO-2, TiCNO-3, и внешний слой α-Al₂O₃. Толщины этих слоев можно определить, например, из СЭМ-снимка.

Покрытие C02

Режущие пластины с теми же геометриями, что и в случае покрытия C01, сначала покрывали тонким слоем TiN толщиной приблизительно 0,4 мкм, затем слоем TiCN толщиной приблизительно 1,5 мкм, применяя хорошо известный метод MTCVD, используя TiCl₄, CH₃CN, N₂, HCl и H₂ при 885°C. Объемное отношение TiCl₄/CH₃CN на начальном этапе MTCVD-осаждения слоя TiCN составляло 6,6, после чего шел период с использованием отношения TiCl₄/CH₃CN, равного 3,7. Детали осаждения слоев TiN и TiCN приведены в таблице 1.

Продолжительность осаждения внутреннего слоя TiCN и наружного слоя TiCN составляла 30 и 10 минут, соответственно. Поверх MTCVD-слоя TiCN осаждали связующий слой толщиной 1-2 мкм при 1000°C способом, включающим четыре отдельные реакционные стадии. Сначала проводили стадию нанесения HTCVD-слоя TiCN с использованием TiCl₄, CH₄, N₂, HCl и H₂ при 400 мбар, затем вторую стадию нанесения слоя (TiCNO-1) с использованием TiCl₄, CH₃CN, CO, N₂ и H₂ при 70 мбар, затем третью стадию (TiCNO-2) с использованием TiCl₄, CH₃CN, CO, N₂ и H₂ при 70 мбар и, наконец, четвертую стадию (TiCNO-3) с использованием TiCl₄, CO, N₂ и H₂ при 70 мбар. На третьей и четвертой стадиях осаждения некоторые из газов непрерывно заменяли в соответствии с первым начальным уровнем и вторым начальным уровнем, представленными в таблице 2. Продолжительность стадий роста связующего слоя удваивали по сравнению с покрытием C01. До начала последующей нуклеации Al₂O₃ связующий слой окисляли 4 минуты в смеси CO₂, CO, N₂ и H₂. Детали осаждения связующего слоя приведены в таблице 2.

Поверх связующего слоя осаждали слой α-Al₂O₃. Слой α-Al₂O₃ осаждали при 1010°C и 55 мбар в две стадии. На первой стадии использовали 1,2 об.% AlCl₃, 4,7 об.% CO₂, 1,8 об.% HCl, остальное H₂, что дало толщину слоя α-Al₂O₃ около 0,1 мкм, а на второй стадии использовали 1,2% AlCl₃, 4,7% CO₂, 2,9% HCl, 0,58% H₂S, остальное H₂, что дало полную толщину слоя α-Al₂O₃ около 3 мкм.

Покрытие C03

Покрытие C03 соответствует покрытию C01, за исключением того, что наружный слой TiCN осаждали не 65, а 105 минут, и что слой α-Al₂O₃ осаждали до толщины примерно 2 мкм.

Покрытие C04

Покрытие C04 соответствует покрытию C01, за исключением того, что наружный слой TiCN осаждали не 65, а 20 минут, и что слой α-Al₂O₃ осаждали до толщины примерно 4 мкм.

Покрытие C05

Режущие пластины с теми же геометриями, что и для предыдущих покрытий, сначала покрывали тонким слоем TiN толщиной приблизительно 0,4 мкм, затем слоем TiCN толщиной приблизительно 1,5 мкм, применяя хорошо известный метод MTCVD, используя TiCl₄, CH₃CN, N₂, HCl и H₂ при 885°C. Объемное отношение TiCl₄/CH₃CN при MTCVD-осаждении слоя TiCN составляло 2,2. Детали осаждения слоев TiN и TiCN приведены в таблице 3.

Таблица 3. Осаждение слоя TiN и MTCVD-слоя TiCN

Температура [°C] Давление
[мбар] H₂
[об.%] N₂
[об.%] HCl
[об.%] TiCl₄
[об.%] CH₃CN
[об.%] TiN 930 160 60,1 38,3 - 1,50 - TiCN внутренний 885 55 59,8 38,05 - 1,49 0,67 TiCN наружный 885 55 82,7 7,9 7,9 1,08 0,49

Поверх MTCVD-слоя TiCN осаждали связующий слой толщиной 0,5-1 мкм при 1010°, используя 3,03 об.% TiCl₄, 6,06 об.% CO и 90,1 об.% H₂ при 55 мбар. До начала последующей нуклеации Al₂O₃ связующий слой окисляли 2 минуты в смеси H₂, CO₂ и HCl.

Поверх связующего слоя осаждали слой α-Al₂O₃. Слой α-Al₂O₃ осаждали при 1010°C и 55 мбар в две стадии. На первой стадии использовали 2,3 об.% AlCl₃, 4,6 об.% CO₂, 1,7 об.% HCl, остальное H₂, что дало толщину слоя α-Al₂O₃ около 0,1 мкм, а на второй стадии использовали 2,2% AlCl₃, 4,4% CO₂, 5,5% HCl, 0,33% H₂S, остальное H₂, что дало полную толщину слоя α-Al₂O₃ около 2,7 мкм.

Покрытие C06

Покрытие C06 соответствует покрытию C02, за исключением того, что наружный слой TiCN осаждали не 10, а 40 минут, и что процесс осаждения прекращали после этой стадии.

Пример 2. Анализ текстуры

Толщины слоев анализировали в светооптический микроскоп, исследуя сечение каждого покрытия при увеличении 1000x. Толщины можно также определить из СЭМ-снимка. Результаты представлены в таблице 4.

Для анализа значений TC слоя α-Al₂O₃ и MTCVD-слоя TiCN применяли рентгеноструктурное исследование в соответствии с описанным выше способом. Анализ текстуры проводили на покрытых основах из цементированного карбида ISO-типа SNMA120408. Следует отметить, что TC(311) MTCVD-слоя TiCN искажен из-за пика WC и что он не был скорректирован при расчетах TC(220) и TC(422), представленных в таблице 5.

Таблица 4. Толщины слоев и TC

Покрытие Толщина слоя TiN
[мкм] Толщина MTCVD-слоя TiCN [мкм] Толщина связующего слоя
[мкм] Толщина слоя
α-Al₂O₃ [мкм] TC(0012) слоя
α-Al₂O₃ I(0012)/I(0114) слоя
α-Al₂O₃ C01 0,5 2,4 0,8 3,0 7,50 1,05 C02 0,5 1,5 1,7 3,2 4,19 0,39 C03 0,4 3,3 0,8 2,1 7,12 1,49 C04 0,4 1,7 0,8 3,9 7,45 0,81 C05 0,4 1,7 0,8 2,7 0 0 C06 0,5 2,0 - - - -

Высокое значение TC(0012) выгодно для обеспечения высокой стойкости к язвенному износу. Текстура слоя α-Al₂O₃ контролируется технологическими параметрами во время осаждения и проявляется с увеличением толщины слоя α-Al₂O₃. На текстуру слоя α-Al₂O₃ влияет также текстура предшествующего MTCVD-слоя TiCN. Если слой α-Al₂O₃ слишком тонкий, его ориентация менее выражена. Покрытия C01 и C04 имеют очень высокое значение TC(0012) и также являются наиболее стойкими к язвенному износу, как можно видеть ниже. Покрытие C03, вероятно, слишком тонкое, чтобы обеспечить это очень высокое значение TC(0012). Контрольные покрытия C02 и C05 осаждены на разные TiCN и при разных способах CVD-осаждения слоя α-Al₂O₃ и не имеют высоких значений TC(0012).

Таблица 5. Коэффициенты текстуры для MTCVD-слоя TiCN

Покрытие TC(220) TC(422) C01 0,56 1,96 C02 0,71 0,95 C03 0,46 2,36 C04 0,75 0,78 C05 1,76 0,47 C06 1,05 1,06

Из значений TC для MTCVD-слоя TiCN следует, что и TC(422), и TC(220) являются довольно низкими. Можно также отметить, что чем толще MTCVD-слой TiCN, тем выше значения TC(422) и тем ниже значения TC(220) по сравнению с покрытиями C04 (1,7 мкм), C01 (2 мкм) и C03 (3,3 мкм), которые были получены в соответствующих MTCVD-процессах осаждения TiCN.

Полюсные фигуры определяли способом EBSD в части MTCVD-слоя TiCN параллельно внешней поверхности покрытия и на расстоянии менее 1 мкм от внешней поверхности MTCVD-слоя TiCN покрытий C01, C02, C03, C04 и C06. Для этого измерения покрытия C01 и C06 были снабжены MTCVD-слоем, являющимся наружным слоем, тогда как наружные слои покрытий C02, C03 и C04 были удалены перед измерениями путем шлифования указанным Dimple Grinder, описанным выше. Любые другие слои могут быть удалены специалистом до EBSD-анализа, например, путем шлифования и полировки.

Получение данных о кристаллографической ориентации из собранных данных EBSD производили с помощью программы "HKL Tango" фирмы Oxford Instruments, версия 5,12,60,0 (64-битная) и программы "HKL Mambo" фирмы Oxford Instruments версии 5,12,60,0 (64-битная). Полюсные фигуры определяли из собранных EBSD-данных с использованием программы "HKL Mambo", используя равновеликие проекции и проекцию верхней полусферы. Были получены полюсные фигуры для полюсов как {211}, так и {110} с направлением Z перпендикулярным наружной поверхности покрытия. Полюсные диаграммы для двух полюсных фигур {211} и {110} определяли, используя ширину класса 0,25° для углового шага в полюсной диаграмме и для диапазона угла измерений β от β=0° до β≤45°. Интенсивность в полюсной диаграмме для диапазона β от 0° до ≤15° относили к полной интенсивности в полюсной диаграмме для диапазона β от 0° до ≤45°. Полюсные диаграммы {211} и {110} покрытия C01 показаны на фиг. 3 и фиг. 4, соответственно. Полюсные диаграммы {211} и {110} покрытия C06 показаны на фиг. 6 и фиг. 7, соответственно. Сигнал в полюсной диаграмме для диапазона углов от β=0 до β ≤ 15°, отнесенный к суммарному сигналу в полюсной диаграмме для диапазона от β=0° до β≤45° для покрытий C01, C02, C03, C04 и C06, представлен в таблице 6.

Таблица 6. Данные EBSD

Покрытие Отношение интенсивности для β=0°-15° к интенсивности для β=0°-45° в полюсной диаграмме {211}, [%] Отношение интенсивности для β=0°-15° к интенсивности для β=0°-45° в полюсной диаграмме {110}, [%] C01 51 25 C02 43 32 C03 55 14 C04 43 32 C06 43 37

Чтобы продемонстрировать текстуру, рассчитывали контурные варианты полюсных фигур, используя полуширину 10,0° и группирование данных по кластерам 5,0°. Контурные варианты полюсных фигур {211} и {110} для покрытия C01 показаны на фигуре 2, а для покрытия C06 на фигуре 5. Максимум так называемой глобальной интенсивности в этих контурных вариантах полюсных фигур был установлен на уровне 3 MUD.

Пример 3. Испытания на резание

До испытаний на абразивный износ режущие пластины подвергали дробеструйной обработке на передних поверхностях в оборудовании для мокрой дробеструйной очистки, используя суспензию оксида алюминия в воде, угол между передней поверхностью режущей пластины и направлением струй суспензии составлял примерно 90°. Использовалась дробь оксида алюминия F220, давление суспензии на пистолет составляло 1,8 бар, давление воздуха на пистолет 2,0 бара, среднее время на дробеструйную обработку единицы площади составляло 5 секунд, и расстояние от наконечника пистолета до поверхности режущей пластины составляло около 137 мм. Целью дробеструйной обработки было повлиять на остаточное напряжение в покрытии и шероховатость поверхности и, тем самым, улучшить свойства режущих пластин в последующем испытании на износ.

Покрытия C01-C05 оценивали в пяти различных испытаниях на резку.

Испытание на резание 1

Это испытание направлено на оценку сопротивления язвенному износу передней поверхности режущего инструмента. В испытании на язвенный износ покрытия C01-C05 осаждали на основу из цементированного карбида с составом примерно 9,14 масс.% Co, 1,15 масс.% Ta, 0,27 масс.% Nb, 5,55 масс.% C, остальное W.

После дробеструйной обработки покрытые режущие инструменты типа Coromant R39011-T308M-PM испытывали на фрезерование по подаче конструкционного материала Toolox 33 с использованием следующих параметров резания:

скорость резки v_c: 300 м/мин

рабочая подача на зуб, f_z: 0,2 мм/зуб

осевая глубина резания, a_p: 2 мм

радиальная глубина резания, a_e: 50 мм

число зубьев, z: 1

Смазочно-охлаждающая жидкость не использовалась.

При анализе язвенного износа измеряли площадь обнаженной основы, используя светооптический микроскоп. Износ каждого режущего инструмента оценивали после 4 операций резки, т.е., через 8 минут резания. Для каждого типа покрытия проводили три параллельных испытания, и средние значения результатов показаны в таблице 7.

Испытание на резание 2

Это испытание направлено на оценку сопротивления сколу кромки. В испытании на износ режущей кромки покрытия C01-C05 осаждали на основу из цементированного карбида с составом примерно 13,5 масс.% Co, 0,57 масс.% Cr, 5,19 масс.% C, остальное W.

После дробеструйной обработки покрытые режущие инструменты типа Coromant R39011-T308M-PM испытывали в несколько проходов резания незакаленного конструкционного материала Dievar с использованием следующих параметров резания:

скорость резки v_c: 150 м/мин

рабочая подача на зуб, f_z: 0,15 мм/зуб

осевая глубина резания, a_p: 3 мм

радиальная глубина резания, a_e: 12 мм

число зубьев, z: 1

Смазочно-охлаждающая жидкость не использовалась.

При анализе прочности режущей кромки определяли число проходов резки до достижения порогового критерия. Пороговым критерием в испытании был скол по меньшей мере 0,5 мм кромочной линии или измеренная глубина 0,2 либо на боковой, либо на передней поверхности. Скол исследовали в светооптический микроскоп. Было проведено от восьми до десяти параллельных испытаний для каждого типа покрытия. Результаты представлены в таблице 7 как среднее значение.

Испытание на резание 3

В испытании на сопротивление износу при пластической деформации оценивали сопротивление пластической деформации режущей кромки, когда режущая кромка вдавливается. Покрытия C01-C05 осаждали на основу из цементированного карбида с составом примерно 9,14 масс.% Co, 1,15 масс.% Ta, 0,27 масс.% Nb, 5,55 масс.% C, остальное W.

После дробеструйной обработке покрытые режущие инструменты типа Coromant R39011-T308M-PM испытывали на фрезерование по подаче конструкционного материала Toolox 33 с использованием следующих параметров резания:

скорость резки v_c: 300 м/мин

рабочая подача на зуб, f_z: 0,15 мм/зуб

осевая глубина резания, a_p: 1,5 мм

радиальная глубина резания, a_e: 75 мм

число зубьев, z: 1

Смазочно-охлаждающая жидкость не использовалась.

При анализе сопротивления пластической деформации при вдавливании кромки измеряли площадь обнаженной основы, используя светооптический микроскоп. Критерием выработки ресурса инструмента было достижение ширины обнаженной основы ≥0,2 мм. Для каждого типа покрытия был проведено по три параллельных испытания. Средние значения результатов представлены в таблице 7.

Испытание на резание 4

Испытание на стойкость к термическому растрескиванию представляет собой испытание на сопротивление образованию термических трещин и скола как следствия этих трещин. В этом испытании покрытия C01-C05 осаждали на основу из цементированного карбида с составом примерно 13,5 масс.% Co, 0,57 масс.% Cr, 5,19 масс.% C, остальное W.

После дробеструйной обработки покрытые режущие инструменты типа Coromant R39011-T308M-PM испытывали на фрезерование конструкционного материала Toolox 33 с использованием следующих параметров резания:

скорость резки v_c: 250 м/мин

рабочая подача на зуб, f_z: 0,2 мм/зуб

осевая глубина резания, a_p: 3 мм

радиальная глубина резания, a_e: 40 мм

число зубьев, z: 1

Использовалась смазочно-охлаждающая жидкость.

При анализе износа сколы покрытия обследовали, используя светооптический микроскоп. Критерием выработки ресурса инструмента было достижение глубины скола ≥0,3 мм или ширины скола ≥ 1,0 мм. Для каждого типа покрытия был проведено от 2 до 5 параллельных испытаний. Средние значения результатов представлены в таблице 7.

Испытание на резание 5

В этом испытание оценивается стойкость к термическому растрескиванию при сухом резании. Когда образовались термические трещины, кромка будет испытывать пластическую деформацию. В этом испытании покрытия C01-C05 осаждали на основу из цементированного карбида с составом примерно 9,14 масс.% Co, 1,15 масс.% Ta, 0,27 масс.% Nb, 5,55 масс.% C, остальное W.

Подвергнутые дробеструйной обработке режущие инструменты с покрытием типа Coromant R39011-T308M-PM испытывали на фрезерование по подаче конструкционного материала Toolox 33 с использованием следующих параметров резания:

скорость резки v_c: 300 м/мин

рабочая подача на зуб, f_z: 0,46 мм/зуб

осевая глубина резания, a_p: 2 мм

радиальная глубина резания, a_e: 20 мм

число зубьев, z: 1

Смазочно-охлаждающая жидкость не использовалась.

При анализе язвенного износа измеряли площадь обнаженной основы, используя светооптический микроскоп. Критерием выработки ресурса инструмента было достижение ширины обнаженной основы, превышающей 0,25 мм. Для каждого типа покрытия был проведено по два параллельных испытания. Средние значения результатов представлены в таблице 7.

Таблица 7. Результаты испытаний на резание

Испытание на резание: 1 2 3 4 5 Площадь кратера [мм²] Твердость кромки [число резаний] Сопротивление пластической деформации при вдавливании [минут] Сопротивление термическому растрескиванию, в условиях смазки [минут] Сопротивление термическому растрескиванию без смазки [минут] Покрытие C01 0,06 44,5 32,6 9,4 45,2 C02 0,1 33,3 24,6 7 36,9 C03 0,07 38,9 27,9 8,8 38,4 C04 0,08 31,5 32,2 9,2 39,1 C05 0,17 13,3 14 5,9 27

Можно сделать вывод, что покрытие C01 является во всех отношениях наиболее эффективным покрытием. Выбор особых толщин и ориентаций слоев покрытия дает неожиданный оптимум свойств. Режущий инструмент с покрытием согласно изобретению работает наилучшим образом в широком диапазоне приложений с высокими требованиями, связанных с резкой металла.

Хотя изобретение было описано в связи с различными примерами вариантов осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено описанными примерами вариантов осуществления; напротив, предполагается, что оно охватывает различные модификации и эквивалентные конфигурации в пределах приложенной формулы.

Заявленная группа изобретений относится к режущему инструменту с износостойким покрытием, предназначенному для стружкообразующей механической обработки металлов и его применению при фрезеровании стали. Упомянутый режущий инструмент содержит основу, имеющую покрытие, содержащее слой α-Al₂O₃, причем толщина слоя α-Al₂O₃ составляет 2-4 мкм. Слой α-Al₂O₃ имеет коэффициент текстуры TC(0012)≥7,2, причем отношение I(0012)/I(0114) ≥0,8. Покрытие дополнительно содержит нанесенный способом среднетемпературного осаждения из паровой фазы (MTCVD) MTCVD-слой TiCN, расположенный между основой и слоем α-Al₂O₃. Толщина MTCVD-слоя TiCN составляет 2-3 мкм. MTCVD-слой TiCN имеет полюсную фигуру {211}, измеренную методом дифракции отраженных электронов (EBSD) в части MTCVD-слоя TiCN параллельной наружной поверхности покрытия и на расстоянии менее 1 мкм от наружной поверхности MTCVD-слоя TiCN. Отношение интенсивности в диапазоне углов наклона β≤15° к интенсивности в диапазоне 0°≤β≤45° составляет больше или равно 45% как измерено посредством полюсной диаграммы, основанной на данных полюсной фигуры {211} с угловым шагом 0,25° в диапазоне углов наклона 0°≤β≤45° от нормали к наружной поверхности покрытия. Обеспечивается режущий инструмент с покрытием, имеющий улучшенную износостойкость, повышенное сопротивление язвенному износу, сопротивление отслаиванию покрытия при пластической деформации режущей кромки, сопротивление термическим трещинам при резке со смазкой или без смазки и/или повышенную прочность кромочной линии. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 табл., 3 пр., 7 ил.

1. Режущий инструмент с износостойким покрытием, содержащий основу, имеющую покрытие, содержащее слой α-Al₂O₃, причем толщина слоя α-Al₂O₃ составляет 2-4 мкм, и причем слой α-Al₂O₃ имеет коэффициент текстуры TC(0012)≥7,2, измеренный рентгеновской дифракцией с использованием излучения CuKα и сканирования θ-2θ, причем коэффициент текстуры TC(hkl) является определяемым по формуле Харриса

(1)

где

I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность отражения (hkl), I₀(hkl) представляет собой стандартную интенсивность в соответствии с PDF-картой ICDD № 00-010-0173, и n представляет собой число отражений, используемых в расчетах, причем использованы следующие отражения (hkl): (104), (110), (113), (024), (116), (214), (300) и (0012),

причем отношение I(0012)/I(0114) ≥0,8,

и причем покрытие дополнительно содержит нанесенный методом среднетемпературного осаждения из паровой фазы (MTCVD) MTCVD-слой TiCN, расположенный между основой и слоем α-Al₂O₃, причем толщина MTCVD-слоя TiCN составляет 2-3 мкм, и причем MTCVD-слой TiCN имеет полюсную фигуру {211}, измеренную методом дифракции отраженных электронов (EBSD) в части MTCVD-слоя TiCN параллельной наружной поверхности покрытия и на расстоянии менее 1 мкм от наружной поверхности MTCVD-слоя TiCN, причем отношение интенсивности в диапазоне углов наклона β≤15° к интенсивности в диапазоне 0°≤β≤45° составляет больше или равно 45%, как измерено посредством полюсной диаграммы, основанной на данных полюсной фигуры {211} с угловым шагом 0,25° в диапазоне углов наклона 0°≤β≤45° от нормали к наружной поверхности покрытия.

2. Инструмент по п. 1, в котором MTCVD-слой TiCN имеет полюсную фигуру {110}, измеренную способом EBSD в той же части MTCVD-слоя TiCN, что и в п. 1, причем отношение интенсивности в диапазоне углов наклона β≤15° к интенсивности в диапазоне 0°≤β≤45° составляет меньше или равно 30%, как измерено посредством полюсной диаграммы, основанной на данных полюсной фигуры {110} с угловым шагом 0,25° в диапазоне углов наклона 0°≤β≤45° от нормали к наружной поверхности покрытия.

3. Инструмент по п. 1 или 2, в котором толщина слоя α-Al₂O₃ составляет 2,5-3,5 мкм.

4. Инструмент по п. 1, в котором покрытие дополнительно включает связующий слой, содержащий нанесенный высокотемпературным химическим осаждением из паровой фазы (HTCVD) HTCVD-слой TiN, TiCN, TiCNO и/или TiCO или их комбинацию, предпочтительно HTCVD-слой TiCN и TiCNO, граничащий со слоем α-Al₂O₃.

5. Инструмент по п. 4, в котором толщина связующего слоя составляет 0,5-1 мкм.

6. Инструмент по п. 1, дополнительно содержащий внутренний слой TiN, примыкающий к основе.

7. Инструмент по п. 6, в котором толщина слоя TiN составляет 0,3-0,6 мкм.

8. Инструмент по п. 1, в котором основа представляет собой цементированный карбид, металлокерамику, керамику.

9. Инструмент по п. 1 или 8, в котором основа представляет собой цементированный карбид с содержанием Co 8-15 мас.%.

10. Инструмент по п. 1, в котором режущий инструмент представляет собой режущую пластину для фрез.

11. Применение режущего инструмента с износостойким покрытием по любому из пп. 1-10 в качестве режущего инструмента при фрезеровании стали.

12. Применение по п. 11, в котором сталь представляет собой легированную сталь, углеродистую сталь или вязкую закаленную сталь.