РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2021 года по МПК C23C28/04 B23B27/14 

Настоящее изобретение относится к режущему инструменту с покрытием.

ВВЕДЕНИЕ

Режущие инструменты для обработки металлов обычно основаны на цементированном карбиде, который обычно имеет сравнительно тонкое покрытие, осажденное на нем обычно с целью улучшения износостойкости режущего инструмента, и таким образом увеличения срока службы инструмента. Многочисленные покрытия известны в данной области техники, и покрытие может быть выполнено из комбинаций слоев различных составов и толщин.

Во время прерывистой механообработки, особенно при фрезеровании, термомеханически вызываемые трещины, называемые «гребенчатыми трещинами», обычно формируются в подложке у режущей кромки. Эти трещины в конечном счете приводят к отказу инструмента путем скола, являясь ограничивающим фактором скорости для срока жизни инструмента.

В покрытиях CVD трещины охлаждения формируются во время охлаждения после осаждения, поскольку покрытие не может свободно сжаться, потому что оно присоединено к телу из цементированного карбида. Трещины охлаждения могут действовать как места зародышеобразования для формирования гребенчатых трещин в подложке. В то же самое время образование трещин охлаждения создает растягивающие напряжения в покрытии. Таким образом, один известный в данной области техники путь для увеличения стойкости к формированию гребенчатых трещин состоит в том, чтобы задержать формирование и развитие трещин в покрытии за счет введения сжимающих напряжений в покрытие с помощью дробеструйной обработки.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Под эта-фазой в настоящем документе понимаются подкарбиды, выбираемые из Me₁₂C и Me₆C, где Ме выбирается из W, Mo и одного или более металлов связующей фазы Co, Fe и Ni. Обычными подкарбидами являются W₆Co₆C, W₃Co₃C, W₆Ni₆C, W₃Ni₃C, W₆Fe₆C и W₃Fe₃C.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Неожиданно было обнаружено, что может быть обеспечен режущий инструмент с покрытием, имеющий превосходную стойкость к формированию гребенчатых трещин, в частности при фрезеровании.

Настоящее изобретение относится к режущему инструменту с покрытием, содержащему подложку из цементированного карбида и покрытие, причем цементированный карбид содержит WC и фазу связующего вещества, содержащую один или более из Co, Fe и Ni, причем содержание углерода в цементированном карбиде является субстехиометрическим, которое в настоящем документе обозначается как SCC, причем -0,13 мас.% ≤SCC < 0 мас.%, или -0,30 мас.% ≤SCC≤-0,16 мас.%, и в котором покрытие содержит один или более слоев (A) карбида металла, нитрида металла или карбонитрида металла, который является по меньшей мере одним из Zr и Hf, причем опционально Ti присутствует в количестве не более 10 ат.% по количеству металла, и слой оксида алюминия, причем один или более слоев (A) располагаются между подложкой и слоем оксида алюминия.

Необязательное присутствие Ti в карбиде металла, нитриде металла или карбонитриде металла покрытия означает, что Ti присутствует в количестве 0-10 ат.% по количеству металла.

Цементированный карбид в настоящем изобретении имеет субстехиометрическое содержание углерода SCC в пределах некоторых диапазонов. Субстехиометрическое содержание углерода является мерой содержания углерода относительно стехиометрического количества углерода. Субстехиометрическое содержание углерода является удобным для использования, так как оно не зависит от других параметров, таких как содержание фазы связующего вещества, других карбидов и т.д.

Стехиометрическое содержание углерода, с другой стороны, зависит от других параметров, таких как содержание фазы связующего вещества и т.д. Для порошка перед спеканием стехиометрическое значение вычисляется при предположении, что WC является полностью стехиометрическим, то есть атомное отношение W:C составляет 1:1. Если присутствуют другие карбиды, предполагается, что они также являются стехиометрическими.

Когда стехиометрическое содержание углерода оценивается для спеченного цементированного карбида, например, состоящего из Co и WC, это может быть выполнено либо на основе количества добавленного сырья WC, предполагая, что атомное отношение W:C составляет 1:1, либо на основе измерений спеченного материала, а затем вычисления на основе измеренного содержания вольфрама стехиометрического содержания углерода в предположении, что атомное отношение W:C составляет 1:1.

Это означает, что использующийся в настоящем документе термин «субстехиометрическое содержание углерода» (SCC) является полным содержанием углерода (в мас.%), определяемым путем химического анализа, минус расчетное стехиометрическое содержание углерода (в мас.%), основанное на WC и возможных других карбидах, присутствующих в цементированном карбиде.

В качестве примера, если стехиометрическое содержание углерода для одного конкретного цементированного карбида равно 5,60 мас.%, и тот же самый цементированный карбид был бы получен, но с содержанием углерода 5,30 мас.%, то субстехиометрический углерод будет составлять -0,30 мас.%.

Фаза связующего вещества выбирается из одного или более из Fe, Co и Ni, предпочтительно Co, в количестве 2-20 мас.% по массе цементированного карбида, или 5-12 мас.% по массе цементированного карбида.

В одном варианте осуществления, когда Cr присутствует в цементированном карбиде, некоторое количество Cr растворяется в фазе связующего вещества.

Количество WC в цементированном карбиде составляет от 80 до 98 мас.%. Размер зерна (FSSS) WC в порошке сырья перед спеканием составляет от 0,1 до 12 мкм, или от 0,4 до 9 мкм.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения цементированный карбид также содержит Mo в количестве от 0,5 до 20 мас.%, или от 0,8 до 5 мас.%.

Цементированный карбид может также содержать другие компоненты, известные в области цементированных карбидов, например, карбиды, карбонитриды или нитриды одного или более из Ti, Ta, Nb, Cr, Mo, Zr или V.

Цементированный карбид по настоящему изобретению может быть получен в соответствии со следующими стадиями:

- обеспечение порошков, формирующих твердые составляющие,

- обеспечение порошков, выбираемых из Co, Fe и Ni, формирующих фазу связующего вещества,

- обеспечение жидкости для измельчения,

- измельчение, сушка, прессование и спекание порошков в цементированный карбид,

причем один или более из W, W₂C, Mo или Mo₂C добавляются в таком количестве, чтобы субстехиометрическое содержание углерода SCC в спеченном цементированном карбиде составляло -0,13 мас.% ≤SCC < 0 мас.% или -0,30 мас.% ≤SCC≤-0,16 мас.%.

Для того, чтобы достичь правильного содержания углерода при производстве окончательного спеченного цементированного карбида, добавляется один или более из W, W₂C, Mo или Mo₂C.

В одном варианте осуществления добавляется один или более из W и W₂C.

В одном варианте осуществления один или более из порошков W, W₂C, Mo или Mo₂C предварительно измельчается перед его добавлением к другому сырью.

Точное количество W, W₂C, Mo или Mo₂C зависит от состава этого другого сырья.

Обычно некоторое количество углерода теряется во время спекания благодаря присутствию кислорода. Кислород будет реагировать с углеродом и удаляться в виде CO или CO₂ во время спекания, сдвигая таким образом углеродный баланс, так что добавляемое количество одного или более из W, W₂C, Mo или Mo₂C должно регулироваться. Точное количество углерода, теряемого во время спекания, зависит от используемого сырья и способа производства, и специалист в данной области техники вполне способен отрегулировать добавляемое количество W, W₂C, Mo или Mo₂C так, чтобы было достигнуто целевое субстехиометрическое содержание углерода в спеченном материале.

Стехиометрическое содержание углерода в цементированном карбиде может быть определено сначала измерением общего содержания углерода в образце, например, с использованием прибора LECO WC-6500. Содержание кобальта также измеряется, например, с помощью рентгеновского флуоресцентного анализа. Путем вычитания количеств кобальта и углерода из общей массы образца получается содержание W, которое затем используется для расчета стехиометрического содержания углерода в предположении, что WC имеет соотношение 1:1.

Порошки, формирующие твердые составные части, выбираются из WC и других компонентов, известных в области цементированных карбидов, например, из карбидов, карбонитридов или нитридов одного или более из Ti, Ta, Nb, Cr, Mo, Zr или V.

В одном варианте осуществления количество добавляемого WC составляет от 80 до 98 мас.% по сухой массе порошка. Размер зерна (FSSS) порошка WC составляет от 0,1 до 12 мкм, или от 0,4 до 9 мкм.

В одном варианте осуществления порошки, формирующие твердые компоненты, представляют собой WC.

В одном варианте осуществления по меньшей мере одна часть порошков, формирующих твердые компоненты, добавляется как порошковая фракция, выполненная из переработанных отходов цементированного карбида, содержащая главным образом элементы W, C и Co.

Порошки, формирующие фазу связующего вещества, представляют собой один или более из Co, Ni или Fe, или их сплавов. Порошки, формирующие фазу связующего вещества, добавляются в количестве 2-20 мас.%, или 5-12 мас.% по сухой массе порошка.

Густая суспензия, содержащая порошки, формирующие твердые компоненты, и порошки, формирующие фазу связующего вещества, подходящим образом смешиваются с помощью операции измельчения в шаровой мельнице или в мельнице тонкого помола. Может использоваться любая жидкость, обычно используемая в качестве жидкости для измельчения в обычном производстве цементированного карбида. Густая суспензия, содержащая порошкованные материалы, затем сушится, подходящим образом формируя агломерированные гранулы.

Затем сырые тела формуются из высушенных порошков/гранул путем операции прессования, такой как одноосное прессование, многоосное прессование и т.д.

Сырые тела, сформованные из порошков/гранул, затем спекаются в соответствии с любым обычным способом спекания, например, вакуумного спекания, спекания горячим изостатическим прессованием (HIP), плазменно-искрового спекания, газопрессового спекания (GPS) и т.д.

Температура спекания обычно составляет от 1300 до 1580°C, или от 1360 до 1450°C.

В одном варианте осуществления цементированный карбид имеет субстехиометрическое содержание углерода -0,13 мас.% ≤SCC < 0 мас.%, или -0,13 мас.% ≤SCC≤-0,05 мас.%, или -0,12 мас.% ≤SCC≤-0,10 мас.%. В этом варианте осуществления цементированный карбид не содержит по меньшей мере агломератов эта-фазы, и альтернативно не содержит эта-фазу в любой форме.

В одном варианте осуществления цементированный карбид имеет субстехиометрическое содержание углерода -0,30 мас.% ≤SCC < -0,16 мас.% или -0,28 мас.% ≤SCC≤-0,17 мас.%. В этом варианте осуществления цементированный карбид содержит эта-фазу, содержащую M₁₂C и/или карбиды Me₆C, где Ме представляет собой один или более металлов, выбираемых из W, Mo и металлов фазы связующего вещества. Цементированный карбид в соответствии с этим вариантом осуществления имеет такое низкое содержание углерода, чтобы сформировалась эта-фаза. Это приводит к цементированному карбиду, имеющему как высокое содержание W в связующем веществе, так и эта-фазу. Сформированная эта-фаза, однако, не существует в виде агломератов.

Обычно эта-фаза рассматривается как нежелательная в цементированном карбиде из-за того, что она традиционно присутствует в больших агломератах зерен эта-фазы, которые являются хрупкими и вредными для свойств цементированного карбида. Однако, при обеспечении неагломерированной эта-фазы путем выбора некоторого диапазона субстехиометрического содержания углерода, как в цементированном карбиде этого варианта осуществления, цементированный карбид показывает хорошие свойства. Эта-фаза присутствует в микроструктуре в виде тонкодисперсной фазы.

Обычными карбидами эта-фазы являются W₆Co₆C, W₃Co₃C, W₆Ni₆C, W₃Ni₃C, W₆Fe₆C и W₃Fe₃C.

В одном варианте осуществления эта-фаза содержит как Me₁₂C, так и Me₆C.

В одном варианте осуществления эта-фаза содержит >90 об.% Me₁₂C, что определяется с помощью XRD.

В одном варианте осуществления эта-фаза не содержит Mo.

В еще одном варианте осуществления эта-фаза содержит Mo. Если Mo присутствует в цементированном карбиде, Mo будет заменять часть вольфрама в эта-фазе.

Подходящий средний размер зерна эта-фазы составляет от 0,1 до 10 мкм, или от 0,5 до 3 мкм.

Распределение эта-фазы должно быть настолько равномерным, насколько это возможно.

В одном варианте осуществления подходящая объемная доля эта-фазы в цементированном карбиде составляет от 2 до 10 об.%, или от 4 до 8 об.%, или от 4 до 6 об.%.

В одном варианте осуществления распределение эта-фазы является одинаковым по всей подложке из цементированного карбида. Под этим в настоящем документе понимается, что цементированный карбид не содержит каких-либо градиентов или зон без эта-фазы, как например в патентном документе US 4843039.

Для того, чтобы можно было достичь хорошо распределенной эта-фазы, которая необходима для получения улучшенной стойкости к сотовому растрескиванию, достижение правильного содержания углерода является существенным. Эта-фаза должна быть хорошо распределенной в подходящем количестве. Это достигается путем тщательного управления углеродным балансом во время производства.

Если содержание углерода в спеченном цементированном карбиде является слишком низким, то есть ниже чем -0,30 мас.% субстехиометрического содержания углерода, количество эта-фазы становится слишком большим, и размер частиц значительно увеличивается, так что цементированный карбид будет хрупким. С другой стороны, если содержание субстехиометрического углерода будет более высоким, чем -0,16 мас.% субстехиометрического содержания углерода, но все еще в области формирования эта-фазы, то сформированная эта-фаза будет неравномерно распределена, например в больших кластерах, что приведет к уменьшению ударной вязкости цементированного карбида.

Разница в субстехиометрическом содержании углерода между образованием нежелательных больших агломератов эта-фазы и достижением тонко распределенной эта-фазы, что является целью, может быть очень малой. Вблизи от этого предела необходимо тщательно отслеживать микроструктуру, чтобы избежать нежелательного образования больших агломератов. Тщательное регулирование содержания углерода, а затем отслеживание его результата в терминах получаемой микроструктуры представляют собой известную для специалиста в данной области техники рабочую процедуру.

Цементированный карбид этого варианта осуществления должен иметь равномерно распределенную эта-фазу, и под этим в настоящем документе понимается, что цементированный карбид не содержит больших агломератов.

В карбиде металла, нитриде металла или карбонитриде металла, присутствующих в покрытии, Ti опционально присутствует в количестве не более 7 ат.% по количеству металла, или не более 5 ат.%, или не более 1 ат.%.

Другими словами, в карбиде металла, нитриде металла или карбонитриде металла, присутствующих в покрытии, Ti присутствует в количестве 0-7 ат.% по количеству металла, или 0-5 ат.%, или 0-1 ат.%.

Один или более слоев (A) представляют собой по меньшей мере одно из (Zr,Hf,Ti)(C,N), (Zr,Hf,Ti)C и (Zr,Hf,Ti)N, в которых присутствует один или оба из Zr и Hf, а Ti является опциональным, причем содержание Ti составляет 0-10 ат.%, или 0-7 ат.%, или 0-5 ат.%, или 0-1 ат.% по количеству металла.

Один или более слоев (A) могут быть произведены с помощью любого подходящего процесса CVD, например, МТ-CVD, HT-CVD и плазменного CVD. Процесс МТ-CVD или процесс плазменного CVD используются предпочтительно из-за того, что они протекают при более низкой температуре, чем HT-CVD, что минимизирует диффузию углерода из подложки в покрытие. Для (Zr,Hf,Ti)(C,N) предпочтительно используется процесс МТ-CVD или процесс плазменного CVD.

В одном варианте осуществления один или более слоев (A) представляют собой по меньшей мере одно из (Zr,Ti)C, (Zr,Ti)N, (Zr,Ti)(C,N), (Hf,Ti)C, (Hf,Ti)N и (Hf,Ti)(C,N), в которых содержание Ti составляет 0-10 ат.%, или 0-7 ат.%, или 0-5 ат.%, или 0-1 ат.% по количеству металла.

В одном варианте осуществления один или более слоев (A) представляют собой по меньшей мере одно из ZrC, ZrN, Zr(C,N), HfC, HfN и Hf(C,N).

В одном варианте осуществления один или более слоев (A) представляют собой один слой из ZrC, ZrN, Zr(C,N), HfC, HfN или Hf(C,N).

В одном варианте осуществления один или более слоев (A) представляют собой один слой из ZrC, Zr(C,N), HfC или Hf(C,N).

В одном варианте осуществления один или более слоев (A) представляют собой один слой из Zr(C,N) или Hf(C,N), предпочтительно один слой из Zr(C,N).

Один или более слоев (A) имеют коэффициент теплового расширения CTE от 6 до 8 [10^-6/K], или от 6,5 до 7,5 [10^-6/K].

Коэффициент теплового расширения CTE представляет собой специфичное для материала свойство, и его значения для различных материалов могут быть найдены в литературе, например в публикации Friedrich et al., «Datensammlung zu Hartstoffeigenschaften», Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 28 (1997), p. 59-76.

Полная толщина одного или более слоев (A) составляет от 2 до 15 мкм, или от 2 до 12 мкм, или от 2,5 до 8 мкм, или от 2,5 до 5 мкм.

Полная толщина слоя оксида алюминия составляет от 1 до 5 мкм, или от 2 до 4 мкм.

Полная толщина всего покрытия составляет от 3 до 20 мкм, или от 4 до 15 мкм, или от 5 до 12 мкм.

Отношение толщины один или более слоев (A) и толщины слоя оксида алюминия подходящим образом составляет 1 или более.

В одном варианте осуществления режущий инструмент с покрытием содержит смежный с поверхностью подложки слой Ti(C_xN_yO_z) или Zr(C_xN_yO_z) или Hf(C_xN_yO_z), где x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z<1, имеющий толщину от 0,05 до 1,5 мкм, или от 0,05 до 1 мкм.

В одном варианте осуществления режущий инструмент с покрытием содержит смежный с поверхностью подложки слой TiC, TiN, HfC, HfN, ZrC или ZrN, имеющий толщину от 0,05 до 1,5 мкм, или от 0,05 до 1 мкм.

В одном варианте осуществления режущий инструмент с покрытием содержит смежный с поверхностью подложки слой TiN, HfN или ZrN, имеющий толщину от 0,05 до 1,5 мкм, или от 0,05 до 1 мкм.

В одном варианте осуществления режущий инструмент с покрытием содержит смежный с поверхностью подложки слой TiC, TiN, HfC, HfN, ZrC или ZrN, имеющий толщину от 0,05 до 1,5 мкм, или от 0,05 до 1 мкм, сопровождаемый одним или более слоями (A).

В одном варианте осуществления режущий инструмент с покрытием содержит смежный с поверхностью подложки слой TiC, TiN, HfC, HfN, ZrC или ZrN, имеющий толщину от 0,05 до 1,5 мкм, или от 0,05 до 1 мкм, сопровождаемый одним слоем ZrC, Zr(C,N), HfC или Hf(C,N).

Слои Zr(C,N) и Hf(C,N) могут быть произведены с помощью процесса CVD любого типа, например МТ-CVD, HT-CVD и плазменного CVD. Процесс МТ-CVD или процесс плазменного CVD используются предпочтительно из-за того, что они протекают при более низкой температуре, чем HT-CVD, что минимизирует диффузию углерода из подложки в покрытие.

Связывающий слой (B), имеющий толщину от 0,05 до 2 мкм, подходящим образом присутствует между самым верхним из одного или более слоев (A) и слоем оксида алюминия, и представляет собой Ti(C_xN_yO_z) или Zr(C_xN_yO_z) или Hf(C_xN_yO_z), где x+y+z=1, 0<x<1, 0≤y<1, 0<z<1. Когда один или более слоев (A) являются слоями MT-CVD Zr(C,N) или MT-CVD Hf(C,N), то есть использующими нитрил, такой как CH₃CN, в качестве одного реакционного газа, тогда опционально связывающий слой (B) дополнительно включает в себя слой HT-Ti(C,N), HT-Zr(C,N) или HT-Hf(C,N), подходящим образом имеющий толщину от 0,05 до 1 мкм, поверх слоя MT-CVD Zr(C,N) или MT-CVD Hf(C,N).

В одном варианте осуществления слой оксида алюминия представляет собой слой альфа-оксида алюминия.

В одном варианте осуществления слой оксида алюминия представляет собой слой каппа-оксида алюминия.

Режущий инструмент с покрытием предпочтительно представляет собой пластину для фрезы.

Примеры

Пример 1

Были обеспечены три различных тела из цементированного карбида с геометрией R365-1505ZNE-KM, выполненные из порошков сырья согласно Таблице 1.

Таблица 1

Цементированный карбид Со (мас.%) WC (мас.%) Размер зерна WC (мкм) (FSSS) Добавка W (мас.%) Добавка C (мас.%) Субстехиометрическое содержание углерода в порошке (мас.%) № 1 6,0 остаток 1,3 - 0,07 +0,08 № 2 6,0 остаток 1,4 - 0,01 0,00 № 3 7,4 остаток 1,4 1,88 0,02 -0,13

Образцы № 1, № 2 и № 3 были получены путем размола порошков в шаровой мельнице в течение 8 час вместе с жидкостью для измельчения (вода/этанол с отношением 9/91) и органическим связующим веществом (2 мас.% PEG, причем количество PEG не включается в сухую массу порошка). Затем густая суспензия была высушена на лотке. Агломераты были затем спрессованы в сырое тело, которое затем было спечено при 1410°C.

Было найдено, что спеченные части образцов № 1 и № 2 не содержали эта-фазы. Образец № 3, содержал эта-фазу, но в хорошо диспергированной форме без кластеров. Количество эта-фазы определялось с помощью анализа изображения с использованием программного обеспечения Image J с установкой «Автомат». Изображения, используемые для анализа, были изображениями оптического микроскопа (LOM) с увеличением 1000X и 2000X. При каждом увеличении выполнялось два измерения, и значение в Таблице 2 для образца № 3 является их средним значением.

Стехиометрическое содержание углерода в спеченных материалах затем вычислялось с помощью первого измерения общего содержания углерода с использованием прибора LECO WC-600, причем для этого анализа образец измельчался перед анализом. Точность значений составляет±0,01 мас.%. Содержание Co измеряется с помощью XRF (рентгеновской флюоресценции) с использованием прибора Panalytical Axios Max Advanced. Путем вычитания количеств кобальта и углерода от общей массы образца получается содержание W, которое используется для расчета стехиометрического содержания углерода в предположении, что WC имеет соотношение 1:1.

Путем вычитания стехиометрического содержания углерода из общего содержания углерода, измеренного с помощью прибора LECO WC-600, получается субстехиометрическое содержание углерода. Как можно видеть в Таблице 2, субстехиометрическое содержание углерода в спеченных материалах отличается от субстехиометрического содержания углерода в соответствующем порошке. Причиной этого является то, что некоторая часть углерода реагирует с кислородом, который является примесью в сырье, и удаляется в виде CO или CO₂ во время спекания, уменьшая полное окончательное содержание С в сплаве.

Таблица 2

Цементированный карбид Субстехиометрическое содержание углерода в спеченном теле (мас.%) Эта-фаза, об.% № 1 -0,09 0 № 2 -0,13 0 № 3 -0,20 4,8

Пример 2

Пластины № 1 из цементированного карбида с геометрией R365-1505ZNE-KM, полученные в Примере 1, были затем покрыты слоем Ti(C,N) толщиной 3 мкм, сопровождаемым слоем альфа-Al₂O₃ толщиной 3 мкм.

Сначала был обеспечен тонкий (0,5 мкм) связывающий слой TiN между подложкой и слоем Ti(C,N). Связывающий слой TiN был осажден с использованием газовой реакционной смеси, содержащей N₂, TiCl₄ и H₂.

Осаждение слоя Ti(C,N) выполнялось в реакторе CVD на основе общих процедур, известных в данной области техники, с использованием газовой реакционной смеси, содержащей H₂, N₂, HCl, TiCl₄ и CH₃CN, при температуре осаждения 885°C и давлении 55 мбар.

Кроме того, был обеспечен тонкий (0,5 мкм) связывающий слой Ti(C,O) между слоем Ti(C,N) и слоем альфа-Al₂O₃. Связывающий слой TiCO был осажден с использованием реакционной газовой смеси, содержащей H₂, TiCl₄ и CO. После осаждения слой Ti(C,O) был слегка окислен в газовой смеси, содержащей CO и CO₂, прежде чем осаждать слой альфа-Al₂O₃.

Кроме того, пластины № 1, № 2 и № 3 из цементированного карбида с геометрией R365-1505ZNE-KM, полученные в Примере 1, были покрыты слоем Zr(C,N) толщиной 3 мкм, сопровождаемым слоем альфа-Al₂O₃ толщиной 3 мкм.

Осаждение слоя Zr(C,N) выполнялось в соответствии с общими процедурами (МТ-CVD) в реакторе Bernex^TM325 с использованием газовой реакционной смеси, содержащей 64,9 об.% H₂, 33,2 об.% N₂, 1,3 об.% ZrCl₄ и 0,6 об.% CH₃CN, при температуре осаждения 930°C и давлении 55 мбар. Полный поток газа составлял 2880 л/час.

Перед осаждением слоя Zr(C,N) тонкий (0,5 мкм) связывающий слой TiN был осажден между подложкой и слоем Zr(C,N).

Перед осаждением слоя альфа-Al₂O₃ был обеспечен тонкий (1 мкм) связывающий слой, состоящий из последовательности HT-CVD Ti(C,N) и Ti(C,N,O), между слоем Zr (C, N) и слоем альфа-Al₂O₃. Осаждение слоя HT-CVD Ti(C,N) выполнялось на основе общих процедур, известных в данной области техники, с использованием газовой реакционной смеси, содержащей H₂, N₂, HCl, TiCl₄ и CH₄, при температуре осаждения 1000°C. Осаждение слоя Ti(C,N,O) также выполнялось на основе известных процедур с использованием газовой реакционной смеси, содержащей H₂, N₂, HCl, TiCl₄, CH₃CN и CO, при температуре осаждения 1000°C. После осаждения слой Ti(C,N,O) был слегка окислен в газовой смеси, содержащей CO и CO₂, прежде чем осаждать слой альфа-Al₂O₃.

Осаждение слоя альфа-Al₂O₃ было затем выполнено на основе общих процедур, известных в данной области техники, с использованием газовой реакционной смеси на стадии зародышеобразования, содержащей H₂, HCl, CO₂ и AlCl₃, и дополнительно с использованием газовой реакционной смеси на стадии роста, содержащей H₂, HCl, CO₂, AlCl₃ и H₂S, при температуре осаждения приблизительно 1000°C и давлении 55 мбар.

Образцы покрытых цементированных карбидов показаны в Таблице 3.

Таблица 3

Образец № Цементированный карбид Покрытие 1 № 1 Ti(C,N)/альфа-Al₂O₃ 2 № 1 Zr(C,N)/альфа-Al₂O₃ 3 № 2 Zr(C,N)/альфа-Al₂O₃ 4 № 3 Zr(C,N)/альфа-Al₂O₃

Пример 3

Образцы 1-4 покрытых цементированных карбидов в соответствии с Примером 2 были протестированы в операции по торцевому фрезерованию (черновая операция) моторного блока из серого чугуна SS0125 в сухих условиях со следующими параметрами резания:

Vc: 362 м/мин

Fz: 0,29 мм/об

ap: 5 мм

ae: 20 мм

Фреза: R365-100Q32W15H

Количество зубьев: 14 (13 режущих пластин+1 протирочная пластина)

Станок: Горизонтальный, многооперационный (GROB)

Конусность: HSK100

Количество пластин для каждого образца, тестируемого в теле инструмента, составляло 6, 7 или 13. Та же самая фреза использовалась при тестировании различных пластин, и во фрезу всегда устанавливалось в сумме 14 пластин, даже тогда, когда устанавливались 6 или 7 пластин образцов. Каждая пластина образцов 1-4 была таким образом подвергнута одним и тем же условиям в тестах.

Для каждого теста было изготовлено 100 компонентов (что соответствует приблизительно 70 мин фрезерования). Затем подсчитывалось количество гребенчатых трещин, больших чем 0,2 мм, на одну пластину, и вычислялось среднее значение для всех образцов пластин, использованных в той же самой фрезе.

Таблица 4

Образец Комбинация подложка-покрытие Субстехиометрическое содержание углерода в подложке (мас.%) Количество образцов пластин на фрезу Среднее количество гребенчатых трещин (> 0,2 мм) 1 № 1 - Ti(C,N)/Al₂O₃ -0,09 13 9,0 2 № 1 - ZrCN/Al₂O₃ -0,09 13 6,4 3 № 2 - Zr(C,N)/Al₂O₃ -0,13 6 4,7 4 № 3 - Zr(C,N)/Al₂O₃ -0,20 7 4,7

Изобретение относится к режущему инструменту с покрытием. Упомянутый режущий инструмент содержит подложку из цементированного карбида и покрытие. Цементированный карбид содержит WC и фазу связующего вещества, содержащую один или более из Co, Fe и Ni. Субстехиометрическое содержание углерода SCC в цементированном карбиде составляет -0,13 мас.% ≤ SCC < 0 мас.% или -0,30 мас.% ≤ SCC ≤-0,16 мас.%. Покрытие содержит один или более слоев (A) карбида металла, нитрида металла или карбонитрида металла и слой оксида алюминия. Металл представляет собой по меньшей мере один из Zr и Hf, причем опционально в упомянутых одном или более слоях (А) Ti содержится в количестве не более 10 ат.% по количеству металла. Один или более слоев (A) расположены между подложкой и слоем оксида алюминия. Получен режущий инструмент с покрытием, который имеет превосходную стойкость к формированию гребенчатых трещин, в частности, при фрезеровании. 14 з.п. ф-лы, 4 табл., 4 пр.

1. Режущий инструмент с покрытием, содержащий подложку из цементированного карбида и покрытие, причем цементированный карбид содержит WC и фазу связующего вещества, содержащую один или более из Со, Fe и Ni, причем субстехиометрическое содержание углерода SCC в цементированном карбиде составляет - 0,13 мас. % ≤SCC<0 мас. %, или - 0,30 мас. % ≤SCC≤ - 0,16 мас. %, и при этом покрытие содержит один или более слоев (А) карбида металла, нитрида металла или карбонитрида металла, причем металл представляет собой по меньшей мере один из Zr и Hf, причем опционально в упомянутых одном или более слоях (A) Ti содержится в количестве не более 10 ат. % по количеству металла, и слой оксида алюминия, причем один или более слоев (А) расположены между подложкой и слоем оксида алюминия.

2. Режущий инструмент с покрытием по п. 1, в котором один или более слоев (А) представляют собой по меньшей мере одно из ZrC, ZrN, Zr(C, N), HfC, HfN и Hf(С, Ν).

3. Режущий инструмент с покрытием по п. 1 или 2, в котором один или более слоев (А) представляют собой один слой Zr(C, N) или Hf(С,Ν).

4. Режущий инструмент с покрытием по любому из пп. 1-3, в котором один или более слоев (А) имеют коэффициент теплового расширения СТЕ от 6⋅10^-6 1/К до 8⋅10^-6 1/К.

5. Режущий инструмент с покрытием по любому из пп. 1-4, в котором полная толщина одного или более слоев (А) составляет от 2 до 15 мкм.

6. Режущий инструмент с покрытием по п. 1, в котором полная толщина слоя оксида алюминия составляет от 1 до 5 мкм.

7. Режущий инструмент с покрытием по любому из пп. 1-6, в котором отношение толщины одного или более слоев (А) и толщины слоя оксида алюминия составляет 1 или более.

8. Режущий инструмент с покрытием по п. 1, содержащий смежный с поверхностью подложки слой Ti(C_xN_yO_z) или Zr(C_xN_yO_z), или Hf(C_xN_yO_z), где x+y+z=l, 0≤х≤1, 0≤у≤1, 0≤z≤1, имеющий толщину от 0,05 до 1,5 мкм.

9. Режущий инструмент с покрытием по любому из пп. 1-7, в котором связывающий слой (В), имеющий толщину от 0,05 до 2 мкм, расположен между самым верхним из одного или более слоев (А) и слоем оксида алюминия и представляет собой Ti(C_xN_yO_z) или Zr(C_xN_yO_z), или Hf(C_xN_yO_z), причем x+y+z=1, 0<х<1, 0≤у<1, 0<z<1.

10. Режущий инструмент с покрытием по п. 9, в котором связывающий слой (В) представляет собой Ti(C_xN_yO_z), причем x+y+z=1, 0<х<1, 0≤у<1, 0<z<1.

11. Режущий инструмент с покрытием по любому из пп. 1-10, в котором субстехиометрическое содержание углерода SCC в цементированном карбиде составляет - 0,13 мас. % ≤SCC≤ - 0,05 мас. % или - 0,28 мас. % ≤SCC≤ - 0,17 мас. %.

12. Режущий инструмент с покрытием по п. 1 или 11, в котором субстехиометрическое содержание углерода SCC в цементированном карбиде составляет - 0,13 мас. % ≤SCC≤ - 0,10 мас. % или - 0,28 мас. % ≤SCC≤ - 0,17 мас. %.

13. Режущий инструмент с покрытием по любому из пп. 1, 11 или 12, в котором субстехиометрическое содержание углерода SCC в цементированном карбиде составляет - 0,28 мас. % ≤SCC≤ - 0,17 мас. %, и цементированный карбид содержит эта-фазу в объемной доле от 2 до 10 об. %.

14. Режущий инструмент с покрытием по п. 13, в котором средний размер зерна эта-фазы составляет от 0,1 до 10 мкм.

15. Режущий инструмент с покрытием по любому из пп. 1-14, в котором режущий инструмент представляет собой пластину для фрезы.