РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2021 года по МПК C22C29/08 B23P15/28 C23C30/00 

Настоящее изобретение относится к режущему инструменту с покрытием для стружкообразующей механической обработки металлов, содержащему основу и покрытие, причем снабженная покрытием режущая кромка для токарной обработки особенно хорошо подходит для механообработки стали.

Уровень техники

Снабженные CVD-покрытием режущие инструменты основой, имеющей поверхностную зону, обогащенную связующей фазой и обедненную гамма-фазой, хорошо известны в области токарной обработки.

Однако всегда есть постоянное стремление к улучшению характеристик режущих инструментов, таких, как режущие кромки. Более длительный срок службы инструмента ведет к снижению издержек производства и т.п.

Пластическая деформация является одним из механизмов износа в процессах резания. Обычно, когда пытаются улучшить сопротивление пластической деформации, снижается ударная вязкость основы.

Одной целью настоящего изобретения является достичь улучшенной стойкости к пластической деформации при сохранении ударной вязкости.

Другой целью настоящего изобретения является достичь улучшенной стойкости к пластической деформации при одновременном повышении ударной вязкости.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 показан интегральный график, на котором приведена зависимость интегральной относительной площади (ось y) от площади частиц (ось x).

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к режущему инструменту, содержащему основу из цементированного карбида и покрытие. Основа из цементированного карбида содержит WC, кобальтовую связующую фазу и гамма-фазу, причем основа из цементированного карбида содержит поверхностную зону, обогащенную связующей фазой и обедненную гамма-фазой, причем толщина поверхностной зоны составляет от 14 до 26 мкм, и причем цементированный карбид имеет хорошо распределенную гамма-фазу, такую что параметр N определенный как

,

меньше 80 мкм²,

где X (мкм²) означает площадь частиц (ось x), соответствующую интегральной относительной площади, равной 0,90 (ось y) на интегральном графике, полученном из EBSD-анализа, на котором интегральная относительная площадь частиц гамма-фазы (ось y) изображена в зависимости от площади частиц (ось x),

и где Y есть поправочный коэффициент

причем поверхностные доли получены из EBSD-анализа.

Далее, поверхностная доля аномальных зерен WC, полученная из EBSD-анализа, определенная как

составляет от 0 до 0,03.

Покрытие содержит слой α-Al₂O₃, и между указанной основой и указанным слоем α-Al₂O₃ покрытие содержит слой TiCN, причем указанный слой α-Al₂O₃ имеет коэффициент текстуры TC(hkl), измеренный методом рентгеновской дифракции с использованием излучения CuKα и сканирования θ-2θ, определенный по формуле Харриса

в которой I(hkl) означает измеренную интенсивность (интегральная площадь) рефлекса (hkl), I₀(hkl) означает стандартную интенсивность согласно PDF-карте ICDD № 00-010-0173, n есть число рефлексов, использующихся в расчетах, и причем использующиеся (hkl) рефлексы соответствуют (104), (110), (113), (024), (116), (214), (300) и (0012),

отличающийся тем, что TC(0012) ≥ 7,2 и отношение I(0012)/I(0114) ≥ 1.

Характеризация цементированного карбида согласно настоящему изобретению осуществляется с использованием дифракции обратного рассеяния электронов (electron backscatter diffraction, EBSD). EBSD представляет собой метод сканирующей электронной микроскопии (SEM), при котором пучок сканирует поверхность образца с определенным расстоянием (длина шага) и определяет фазу и кристаллографическую ориентацию образца на каждом шаге из дифракционной картины, полученной, когда образец наклонен под 70° к горизонтали. Эту информацию можно использовать для картрирования микроструктуры образца, которую можно легко оценить, используя кристаллографическую информацию для определения размера и относительного расположения межзеренных границ, фаз и зерен.

Цементированный карбид должен иметь как можно меньше аномальных зерен WC. Под аномальными зернами WC обычно понимаются зерна WC, размер которых в несколько раз больше, чем средний размер зерен WC. В настоящем документе количество аномальных зерен WC определено из EBSD-анализа материала цементированного карбида.

Поверхностная доля аномальных зерен WC определена как площадь зерен WC, которая более чем в 10 раз больше средней площади всех зерен WC, aWC_av, отнесенная к полной площади зерен WC

Согласно настоящему изобретению, поверхностная доля аномальных зерен составляет от 0 до 0,03, предпочтительно от 0 до 0,025, более предпочтительно от 0 до 0,02.

Гамма-фаза, представляющая собой твердый раствор кубических карбидов и/или карбонитридов, образуется при спекании кубических карбидов и/или карбонитридов и WC и может быть описана как (W,M)C или (W,M)(C,N), где M является одним или более из Ti, Ta, Nb, Hf, Zr, Cr и V.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения цементированный карбид содержит NbC в количестве от 0,5 до 2,5 вес.%, предпочтительно 1-1,5 вес.%. Далее, цементированный карбид содержит TaC в количестве от 2,5 до 4,5 вес.%, предпочтительно 3-4 вес.%. Кроме того, цементированный карбид содержит TiC в количестве от 1,8 до 3,3 вес.%, предпочтительно 2-3 вес.%.

Количество гамма-фазы благоприятно составляет от 3 до 25 об.%, предпочтительно от 5 до 17 об.%. Его можно измерить разными способами, например, путем анализа изображений, используя снимок со помощью светового микроскопа (Light Optical Microscope, LOM) или микроснимок со сканирующего электронного микроскопа (Scanning Electron Microscope, SEM) сечения основы, чтобы рассчитать среднюю долю гамма-фазы. Когда цементированный карбид имеет градиент в поверхностной зоне, количество гамма-фазы, указываемое в настоящем документе, измерено в объеме. Количество гамма-фазы можно также вывести из EBSD-анализа.

Распределение гамма-фазы должно быть как можно более однородным. EBSD-анализ гамма-фазы был проведен на частицах гамма-фазы, т.е., не на зернах гамма-фазы. Посредством обработки данных EBSD можно выбрать, что следует измерять, частицы или зерна. При этом под зерном понимается монокристалл, тогда как частица содержит 2 или более зерен, находящихся в прямом контакте друг с другом.

Согласно настоящему изобретению, гамма-фаза является хорошо распределенной с контролируемым размером частиц.

Распределение гамма-фазы определяется путем EBSD-анализа и задается параметром N (мкм²), где

Строится график интегральной относительной площади частиц гамма-фазы (ось y), определенной из EBSD-анализа, от площади частиц (ось x), смотри фигуру 1. Из интегрального графика (от 0 до 1) определяют площадь частиц (ось x), соответствующую интегральной относительной площади, равной 0,90 (ось y), т.е. параметр X (мкм²). Если никакое значение не совпадает точно с 0,90, в качестве X используется среднее двух значений ниже и выше 0,90.

Параметр Y является поправочным коэффициентом для поправки на разные количества гамма-фазы в цементированном карбиде. Y представляет собой отношение поверхностной доли кубических карбидов и кубических карбонитридов (гамма-фаза) к полному количеству карбидов и карбонитридов, т.е., как в WC (гексагональные), так и в гамма-фазе (кубические). Поверхностные доли получают из данных EBSD.

Согласно настоящему изобретению, распределение гамма-фазы, N, благоприятно составляет менее 80 мкм², предпочтительно от 15 до 75 мкм², более предпочтительно от 35 до 70 мкм².

Толщина поверхностной зоны благоприятно составляет от 10 до 35 мкм, предпочтительно от 14 до 26 мкм. Эта толщина измеряется между поверхностью основы и границей между объемом, содержащим гамма-фазу, и поверхностной зоной, которая обеднена гамма-фазой. На изображениях SEM или LOM эту границу легко идентифицировать, так как она вполне различима. Измерение толщины поверхностной зоны предпочтительно следует делать на плоской поверхности, предпочтительно на боковой поверхности, не слишком близко к режущей кромке. Под этим понимается, что измерения следует проводить по меньшей мере на 0,3 мм от режущей кромки.

Под обогащением связующим в настоящем документе понимается, что содержание связующей фазы в поверхностной зоне по меньшей мере в 1,3 раза выше содержания связующей фазы в объеме. Содержание связующей фазы в поверхностной зоне удобно измерять на глубине, соответствующей половине от полной толщины/глубины поверхностной зоны. Объем определен здесь как область, не являющаяся поверхностной зоной. Все измерения, проводимые на объеме, следует проводить в области, не слишком близкой к поверхностной зоне. Здесь это означает, что любое измерение микроструктуры объема следует проводить на глубине по меньшей мере 100 мкм от поверхности.

Под обеднением гамма-фазой в настоящем документе понимается, что поверхностная зона совсем не содержит или содержит очень мало частиц гамма-фазы, т.е., менее 0,5% площади.

Содержание кобальта составляет от 5 до 17 вес.%, предпочтительно от 8 до 12 вес.% спеченного изделия.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения, когда в цементированном карбиде присутствует Cr, некоторые атомы Cr растворены в связующей фазе.

Цементированный карбид может также содержать другие компоненты, обычные в области цементированных карбидов. Когда используется вторичный материал (PRZ), в малых количествах могут также присутствовать Zr, V, Zn, Fe, Ni и Al.

Покрытие согласно настоящему изобретению содержит слой α-Al₂O₃, и между указанной основой и указанным слоем α-Al₂O₃ покрытие дополнительно содержит слой TiCN. Слой α-Al₂O₃ имеет коэффициент текстуры TC(hkl), измеренный методом рентгеновской дифракции с использованием излучения CuKα и сканирования θ-2θ, определенный по формуле Харриса

(1)

в которой I(hkl) означает измеренную интенсивность (интегральная площадь) рефлекса (hkl), I₀(hkl) означает стандартную интенсивность согласно PDF-карте ICDD № 00-010-0173, n есть число рефлексов, использующихся в расчетах, и причем использующиеся (hkl) рефлексы соответствуют (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, но предпочтительно ≤ 8;

и причем отношение I(0012)/I(0114) ≥ 1, предпочтительно ≥ 1,5, более предпочтительно ≥1,7, наиболее предпочтительно ≥2, где I(0012) есть измеренная интенсивность (интегральная площадь) рефлекса (0012), а I(0114) есть измеренная интенсивность (интегральная площадь) рефлекса (0114). Оказалось, что слой α-Al₂O₃ с таким высоким TC(0012) в комбинации с I(0012), больше или равной I(0114), является выгодным в качестве слоя на режущих инструментах благодаря его неожиданно высокой стойкости к точечной коррозии и износу по задней поверхности.

Слой α-Al₂O₃ типично осаждают способом термического CVD. В настоящем документе HTCVD определен как способ CVD, осуществляемый в диапазоне температур 950-1050°C, а способ MTCVD в диапазоне 800-950°C.

Слой α-Al₂O₃ покрывает по меньшей мере область режущего инструмента, задействованную в резании в процессе резки, охватывая по меньшей мере зоны, открытые точечной коррозии и/или износу по задней поверхности. Альтернативно, весь режущий инструмент может быть покрыт слоем α-Al₂O₃ и/или любыми дополнительными слоями покрытия.

Под сильной текстурой <001> здесь понимается статистически предпочтительный рост вдоль кристаллографического направления <001>, т.е., зерна α-Al₂O₃ растут так, что их кристаллографическая плоскость (001) чаще параллельна поверхности основы, чем другие кристаллографические плоскости параллельны поверхности основы. Средством выразить предпочтительный рост вдоль кристаллографического направления <hkl> является коэффициент текстуры TC(hkl), рассчитываемый по указанной выше формуле Харриса (формула (1) выше) на основе определенного множества XRD-рефлексов, измеренных на соответствующем образце. Интенсивности XRD-рефлексов стандартизируют, используя карту JCPDF, указывающую интенсивности XRD-рефлексов одного и того же материала, например, α-Al₂O₃, но в случайной ориентации, как, например, в порошке материала. Значение коэффициента текстуры TC(hkl) слоя кристаллического материала больше единицы указывает, что зерна кристаллического материала ориентированы их кристаллографической плоскостью (hkl) параллельно поверхности основы более часто, чем при случайном распределении, по меньшей мере по сравнению с XRD-рефлексами, использованными в формуле Харриса для определения коэффициента текстуры TC. В настоящем документе коэффициент текстуры TC(0012) используется для указания предпочтительного роста кристалла вдоль кристаллографического направления <001>. Кристаллографическая плоскость (001) параллельна кристаллографическим плоскостям (006) и (0012) в кристаллографической системе α-Al₂O_3.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения толщина слоя α-Al₂O₃ составляет 2-20 мкм, предпочтительно 2-10 мкм, наиболее предпочтительно 3-7 мкм.

Кроме того, покрытие содержит слой TiCN, предпочтительно нанесенный способом MTCVD, находящийся между основой и слоем α-Al₂O₃. Зерна слоя TiCN являются столбчатыми. В одном варианте осуществления настоящего изобретения толщина указанного слоя TiCN составляет 4-20 мкм, предпочтительно 4-15 мкм, наиболее предпочтительно 5-12 мкм. Под TiCN здесь понимается Ti(C_x,N_1-x), в котором 0,2≤x≤0,8, предпочтительно 0,3≤x≤0,7, более предпочтительно 0,4≤x≤0,6. Отношение C/(C+N) в TiCN можно измерить, например, электронно-зондовым микроанализом.

Далее, покрытие включает связующий слой, содержащий TiN, TiCN, TiCNO и/или TiCO или их комбинацию, предпочтительно TiCN и TiCNO, находящийся дальше всего от слоя TiCN и граничащий со слоем α-Al₂O₃. Предпочтительно, связующий слой нанесен способом HTCVD. Связующий слой предназначен для усиления адгезии между слоем TiCN и слоем α-Al₂O₃. Связующий слой предпочтительно окисляют перед осаждением слоя α-Al₂O₃. Толщина указанного связующего слоя предпочтительно составляет 0,5-2 мкм, наиболее предпочтительно 1-2 мкм.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения слой TiCN, находящийся между слоем α-Al₂O₃ и основой, имеет коэффициент текстуры TC(hkl), измеренный методом рентгеновской дифракции с использованием излучения CuKα и сканирования θ-2θ, определенный согласно формуле Харриса (1), в которой I(hkl) означает измеренную интенсивность (интегральная площадь) рефлекса (hkl), I₀(hkl) означает стандартную интенсивность согласно PDF-карте ICDD № 42-1489, n есть число рефлексов, в расчетах используются рефлексы, соответствующие (111), (200), (220), (311), (331), (420), (422) и (511), причем TC(220) ≤0,5, предпочтительно ≤0,3, более предпочтительно ≤ 0,2, наиболее предпочтительно ≤ 0,1. Оказалось, что низкая интенсивность рефлекса (220) выгодна тем, что она, по-видимому, способствует образованию сильной текстуры <001> следующего слоя α-Al₂O₃. Одним из путем получения низкого коэффициента текстуры TC(220) является установить объемное отношение TiCl₄/CH₃CN на начальной стадии, предпочтительно при запуске MTCVD-осаждения слоя TiCN, на относительно высоком уровне.

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

В одном варианте осуществления настоящего изобретения режущий инструмент с покрытием подвергают дополнительной обработке, известной в области покрытых режущих инструментов, например, пескоструйной очистке, очистке щеткой и т.д.

В данном документе режущий инструмент представляет собой режущую кромку, предпочтительно режущую кромку для токарной обработки.

Режущая кромка режущего инструмента с покрытием предпочтительно является режущей кромкой для токарной обработки стали, чугуна или нержавеющей стали.

Пример 1

Основы из цементированного карбида были изготовлены, сначала подвергая вторичный цементированный карбидный материал (PRZ) предварительному измельчению вместе с (Ta,Nb)C, (Ti,W)C, Ti(C,N) в рабочем растворе из этанола и воды (9 вес.% воды). Соотношение между порошком и рабочим раствором составляло 232 кг порошка на 80 л рабочего раствора в мельнице с мешалкой под названием LMZ10, фирма Netzsch, которая представляет собой мельницу с горизонтальным перемешиванием, в которой суспензия циркулирует между измельчающей камерой и накопительной емкостью. Суспензию измельчали на 650 об/мин до накопленной энергии 30 кВт-ч.

Количество PRZ, т.е., вторичного материала, составляет 20 вес.% от полного веса порошка. В таблице 10 указан состав (в вес.%) используемого PRZ, партия 828. Остальные исходные материалы добавляли в таких количествах, чтобы получить состав, указанный в таблице 9.

После стадии предварительного измельчения в суспензию добавляли порошки WC и Co и полиэтиленгликоль (PEG), а рабочий раствор добавляли в суспензию в таком количестве, чтобы получить 800 кг порошка на 160 л рабочего раствора, и затем все порошки измельчали на 650 об/мин до накопленной энергии 90 кВт-ч.

Количество PEG составляло 2 вес.% от полного сухого веса порошка (PEG не учитывался в полном сухом весе порошка).

В качестве порошка WC использовали цементированный при высокой температуре WC от фирмы Wolfram Bergbau und Hütten AG под наименованием HTWC040. Средний размер частиц (FSSS) после измельчения согласно стандарту ASTM составлял 3,9 мкм.

Потом суспензию сушили распылением с получением агломератов, которые затем подвергали операции прессования в гидравлическом прессе фирмы Fette с образованием полуфабриката.

Затем полуфабрикат спекали, сначала осуществляя депарафинизацию в H₂ до 450°C, нагревание в вакууме до 1350°C. После этого вводили защитную атмосферу (поток 20 мбар Ar и 20 мбар CO) и затем температуру поддерживали на уровне 1450°C в течение 1ч.

Полученный цементированный карбид обозначен ниже как "Изобретение 1".

Для сравнения изготавливали основу, с самого начала измельчая все исходные порошковые материалы в обычной шаровой мельнице в течение 11 ч, т.е., без проведения предварительного измельчения.

Для сравнения изготавливали основу, сначала измельчая получая основу из цементированного карбида, размалывая все исходные порошковые материалы в обычной шаровой мельнице в течение 11 ч, т.е., без проведения предварительного измельчения.

Исходные материалы были таким же, как для образца "Изобретение 1", с теми отличиями, что использовали 15 вес.%, от полного веса порошка, PRZ другой партии (партия 757, смотри таблицу 2), и что использовали обычный WC (не цементированный при высокой температуре) со средним размером частиц (FSSS) после измельчения согласно стандарту ASTM 7,0 мкм. Количество остальных исходных материалов было таким, чтобы получить состав, указанный в таблице 1.

Полученный цементированный карбид обозначен ниже как "Сравнительный 1".

Таблица 1

Co (вес.%) NbC (вес.%) TaC (вес.%) TiC (вес.%) TiN (вес.%) WC Изобретение 1 10,00 1,35 3,55 2,62 0,38 баланс Сравнительный 1 10,00 1,35 3,55 2,56 0,44 баланс

Таблица 2

Партия W Co Nb Ta Ti Cr Zr V Zn C N O 828 81,5 8,83 0,66 1,58 1,04 0,079 0,022 0,007 0,001 5,73 0,06 0,17 757 82,1 7,99 0,62 1,68 1,31 0,13 0,045 0,012 0,001 5,74 0,06 0,22

Остальную часть PRZ-порошка (до 100%) составляют следовые количества Fe, Ni и Al.

Потом суспензию сушили распылением с получением агломератов, которые затем подвергали операции прессования в гидравлическом прессе фирмы Fette с образованием полуфабриката.

Оба полученных материала: "Изобретение 1" и "Сравнительный 1", содержали связующую фазу, обогащенную поверхностной зоной, обедненной гамма-фазой, толщиной 22 и 23 мкм, соответственно.

Затем основы из цементированного карбида снабжали покрытием. Сначала их покрывали тонким слоем TiN, толщиной приблизительно 0,4 мкм, затем слоем TiCN толщиной приблизительно 7 мкм, применяя хорошо известный метод MTCVD и используя TiCl₄, CH₃CN, N₂, HCl и H₂ при 885°C. Объемное отношение TiCl₄/CH₃CN на начальной стадии MTCVD-осаждения слоя TiCN составляло 6,6, после чего шел период с использованием отношения TiCl₄/CH₃CN=3,7. Детали осаждения TiN и TiCN приведены в таблице 3.

Таблица 3. MTCVD-осаждение TiN и TiCN

MTCVD слоев 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

Поверх слоя TiCN, осажденного способом MTCVD, был осажден при 1000°C связующий слой толщиной 1-2 мкм способом, состоящим из четырех отдельных реакционных стадий. Первая стадия HTCVD-осаждения TiCN с использованием TiCl₄, CH₄, N₂, HCl и H₂ при 400 мбар, затем вторая стадия осаждения слоя (TiCNO-1) с использованием TiCl₄, CH₃CN, CO, N₂ и H₂ при 70 мбар, затем третья стадия осаждения слоя (TiCNO-2) с использованием TiCl₄, CH₃CN, CO, N₂ и H₂ при 70 мбар и, наконец, четвертая стадия осаждения слоя (TiCNO-3) с использованием TiCl₄, CO, N₂ и H₂ при 70 мбар. Во время третьей и четвертой стадий осаждения некоторые из газов непрерывно заменяли, как указано в таблице 4 первым исходным уровнем и вторым конечным уровнем. До начала последующей нуклеации Al₂O₃ связующий слой окисляли 4 минуты в смеси CO₂, CO, N₂ и H₂. Детали осаждения связующего слоя приведены в таблице 4.

Таблица 4. Осаждение связующего слоя

Связующий слой: 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 - 1,5 - - 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 был осажден слой α-Al₂O₃. Все слои α-Al₂O₃ осаждали при 1000°C и давлении 55 мбар в два шага. На первом шаге использовали 1,2 об.% AlCl₃, 4,7 об.% CO₂, 1,8 об.% HCl, баланс H₂, что дало слой α-Al₂O₃ толщиной около 0,1 мкм, а на втором шаге осаждали слой α-Al₂O₃, используя 1,2% AlCl₃, 4,7% CO₂, 2,9% HCl, 0,58% H₂S и баланс H₂.

Пример 2 (Анализ текстуры)

Для анализа значений TC слоев α-Al₂O₃ и TiCN использовали рентгеновскую дифракцию в соответствии с описанным выше способом. Толщины слоев анализировали в световой оптический микроскоп, исследуя сечение каждого покрытия при увеличении 1000x, причем в толщине слоя TiCN, приведенной в таблице 5, учтены оба связующих слоя и исходный слой TiN. В таблицу 5 включен также эталон ("Сравнительный 1"), который представляет собой сплав торговой марки GC4235. Соответственно, анализировали два образца: "Изобретение 1" и "Сравнительный 1". Результаты представлены в таблице 5.

Таблица 5. Данные по толщине и дифракции

Образец Толщина TiCN
[мкм] Толщина слоя
α-Al₂O₃ [мкм] TC(0012) для
α-Al₂O₃ I(0012)/ I(0114) для
α-Al₂O₃ TC(422) для
TiCN TC(311) для
TiCN TC(220)
для
TiCN Изобр. 1a
Изобр. 1b 9,6 4,6 7,6
7,7 1,5
1,7 3,69
4,08 2,04
2,07 0,15
0,10 Сравн. 1a
Сравн. 1b 8,3 4,7 6,7
6,9 0,7
0,8 2,26
2,30 1,72
1,64 0,71
0,83

Режущие кромки согласно настоящему изобретению подвергали пескоструйной обработке на передних поверхностях в оборудовании для мокрой пескоструйной очистки, используя суспензию оксида алюминия в воде, и угол между передней поверхностью режущей кромки и направлением чистящей суспензии составлял около 90°. Кремнеземный песок представлял собой F220, давление суспензии на пистолет составляло 1,8 бар, давление воздуха на пистолет составляло 2,2 бара, средняя продолжительность пескоструйной очистки на единицу площади составляло 4,4 секунды, и расстояние от выпускного отверстия пистолета до поверхности режущей кромки составляло примерно 145 мм. Целью пескоструйной очистки было повлиять на остаточное напряжение в покрытии и шероховатость поверхности и, таким образом, улучшить свойства режущих кромок в последующем испытании на токарную обработку.

Пример 3 (Микроструктура)

Микроструктуру спеченных материалов также анализировали методом EBSD. Использовали 4 изображения размером 60*100 мкм.

Режущие кромки готовили для характеризации методом дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) путем шлифования сечения массивного материала, применяя механическое полирование с использованием алмазной суспензии с размером алмазов 1 мкм с последующей стадией ионного полирования, осуществляемой на машине Hitachi E3500.

Полученные образцы устанавливали в держатель образцов и вставляли в сканирующий электронный микроскоп (SEM). Образцы наклоняли под 70° к горизонтальной плоскости и к EBSD-детектору. Для определения характеристик использовался SEM-микроскоп Zeiss Supra 55 VP с апертурой объектива 240 мкм, использованием режима "сильный ток", работающий в режиме высокого вакуума (HV). В качестве EBSD-детектора использовали детектор Oxford Instruments Nordlys, работающий с программным обеспечением Oxford Instruments "Aztec", версия 3,1. Сбор данных EBSD осуществляли, направляя сфокусированный пучок электронов на полированные поверхности и последовательно собирая данные EBSD, используя шаг 0,1 мкм для точек замера 1000×600 мкм. При проведении EBSD-анализа для этой цели число изображений следует выбирать так, чтобы полная площадь, с которой собирали EBSD-данные, была не меньше 12000 мкм².

Установки SEM

ускоряющее напряжение 20 кВ размер диафрагмы 240 мкм сильный ток включен рабочее расстояние расстояние вставки детектора Группирование Группа 1: Co (кубический)+кубическая карбидная фаза Оптимизация дифракционной картины бинаризация 2×2 усиление 15 кадр, среднее 2 число кадров 200 статический фон включено фон авто включено Оптимизация решающего устройства число полос 9 разрешение Хафа 90 детектирование края усложненная подгонка выключено применить уточнение включено

Эталонными фазами были:

- WC (гексагональный), 59 отражателей, Acta Crystallogr., [ACCRA9], (1961), vol. 14, pp 200-201;

- Co (кубический), 68 отражателей, Z. Angew. Phys., [ZAPHAX], (1967), vol. 23, pp 245-249;

- Co (гексагональный), 50 отражателей, Fiz. Met. Metalloved, [FMMTAK], (1968), vol. 26, pp 140-143;

- фаза кубического карбида, TiC, 77 отражателей, J. Matter. Chem. [JMACEP], (2001), vol. 11, pp 2335-2339.

Так как эти цементированные карбиды содержат две кубические фазы, связующую фазу Co и гамма-фазу, необходимо позаботиться, чтобы идентифицировать фазы правильно, т.е., чтобы индексация была точной. Это можно сделать разными способами, один из способов состоит в том, чтобы для сравнения на одном и том же образце получить EDS-снимок (энергодисперсионная спектроскопия) или получить изображение в обратнорассеянных лучах, которое зависит от химического состава фаз и, таким образом, показывает разницу между связующей фазой и гамма-фазой.

Данные EBSD вводили в программу AZtec и анализировали в HKL Channel5 (HKL Tango, версия 5.11,20201.0), фирма Oxford instruments. Подавление шума осуществляли, удаляя неправдоподобные выбросы и осуществляя экстраполяцию к нулевому решению, уровень 5. Зерна WC определяли при критическом угле разориентировки 5°. Межзеренные границы между зернами гамма-фазы устраняли, так что анализировали только частицы гамма-фазы. Это было сделано в Channel 5, устанавливая критическую разориентировку 90 градусов. Все частицы меньше 4 пикселей (0,04 мкм²) удаляли как шум.

Распределение гамма-фазы определяется из EBSD-анализа и задается параметром N (мкм²), где:

Строится график интегральной относительной площади частиц гамма-фазы (ось y), определенной из EBSD-анализа, в зависимости от площади частиц (ось x). Из интегрального графика определяется площадь частиц (ось x), соответствующая интегральной относительной площади, равной 0,90 (ось y), это и есть значение X (мкм²). Если никакое значение не совпадает точно с 0,90, в качестве X используется среднее двух значений ниже и выше 0,90.

Параметр Y является поправочным коэффициентом для поправки на разные количества гамма-фазы в цементированном карбиде. Y представляет собой отношение поверхностной доли кубических карбидов и кубических карбонитридов (гамма-фаза) к полной доле всех карбидов и карбонитридов, т.е., как в WC (гексагональные), так и в гамма-фазе (кубические). Поверхностные доли получают из данных EBSD.

Поверхностная доля аномальных зерен WC определена как поверхностная доля зерен WC, которые более чем в 10 раз крупнее средней площади всех зерна WC, aWC_av, связанной с полной площадью зерен WC.

Для сравнения этим же способом анализировали также сплав торговой марки GC4235, подходящий для токарной обработки стали. GC4235 в настоящем документе называется "Сравнительный 1".

Результаты измерений можно видеть в таблице 6 ниже.

В таблице 6 приведены также коэрцитивность (Hc) и удельная намагниченность насыщения.

Коэрцитивность и удельную намагниченность насыщения измеряли на приборе Foerster Koerzimat CS1.096.

Таблица 6

Hc (кА/м) Удельная намагниченность насыщения
(10^-6 Тм³/кг) Поверхностная доля аномальных зерен WC Распределение гамма-фазы N (мкм²) Изобретение 1 11,66 16,9 0,0139 66,6 Сравнительный 1 11,55 16,5 0,0458 108,4

Пример 4 (Рабочий пример)

Режущую кромку, полученную в соответствии с примером 1 ("Изобретение 1") испытывали вместе с режущей кромкой "Сравнительный 1" в операции обработки торца в сухих условиях. Обрабатываемым материалом была сталь SS2541, использовались следующие условия:

V_c=160 м/мин

f=0,3 мм/об

a_p=2 мм

Критерием ресурса стойкости инструмента было условие Vb≥0,5 мм на основной режущей кромке.

Результаты приведены в таблице 7.

Таблица 7

Средний ресурс стойкости инструмента (мин) Изобретение 1 82 Сравнительный 1 53

Как можно видеть из таблицы 7, режущая кромка согласно настоящему изобретению демонстрирует улучшенное сопротивление пластической деформации режущей кромки по сравнению с эталоном.

Пример 5 (рабочий пример)

Режущую кромку, описанную в примере 1 ("Изобретение 1"), испытывали вместе с режущей кромкой "Сравнительный 1" в операции обработки торца в мокрых условиях. Обрабатываемая деталь имела такую конструкцию, что имелось два случая прерывания на оборот. Обрабатываемым материалом была углеродистая сталь SS1312, использовались следующие условия:

V_c=50 м/мин

f=0,6 мм/об

a_p=1,5 мм

Критерий ресурса стойкости инструмента: трещина без какого-либо другого значительного износа.

Результаты приведены в таблице 8 ниже, причем ресурс стойкости инструмента является средним значением для 8 опытов.

Таблица 8

Средний ресурс стойкости инструмента (мин) Изобретение 1 8,8 Сравнительный 1 4,7

Как можно видеть из таблицы 8, режущая кромка согласно настоящему изобретению имеет лучшие характеристики ударной вязкости по сравнению с эталоном.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к режущему инструменту, содержащему основу из цементированного карбида и нанесенное на нее покрытие. Основа из цементированного карбида содержит WC, кобальтовую связующую фазу и гамма-фазу и имеет поверхностную зону, обогащенную связующей фазой и обедненную гамма-фазой, толщиной от 14 до 26 мкм. Цементированный карбид содержит равномерно распределенную гамма-фазу и сниженное количество аномальных зерен WC. Покрытие содержит слой α-Al₂O_3, слой TiCN и связующий слой, расположенный между слоем TiCN и слоем α-Al₂O_3. Слой α-Al₂O₃ имеет коэффициент текстуры TC(0012)≥7,2, измеренный методом рентгеновской дифракции с использованием излучения CuKα и угла сканирования θ-2θ. Обеспечивается повышение сопротивления пластической деформации при сохранении ударной вязкости. 10 з.п. ф-лы, 1 ил., 8 табл., 5 пр.

1. Режущий инструмент с покрытием, содержащий основу из цементированного карбида и покрытие, причем основа из цементированного карбида содержит WC, кобальтовую связующую фазу и гамма-фазу, причем основа из цементированного карбида имеет поверхностную зону, обогащенную связующей фазой и обедненную гамма-фазой, причем толщина поверхностной зоны составляет от 14 до 26 мкм, и причем гамма-фаза распределена так, что параметр N меньше 80 мкм², где

,

где X (мкм²), означает площадь частиц (ось х), соответствующую интегральной относительной площади, равной 0,90 (ось y) на интегральном графике, полученном методом дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD-анализ), на котором интегральная относительная площадь частиц гамма-фазы (ось y) изображена в зависимости от площади частиц гамма фазы (ось х), и

где Y означает поправочный коэффициент

,

причем поверхностные доли определены из EBSD-анализа,

и причем поверхностная доля аномальных зерен WC, полученная из EBSD-анализа, определенная как отношение площади зерен WC, которая более чем в 10 раз больше средней площади всех зерен WC, к полной площади всех зерен WC

,

составляет от 0 до 0,03,

и причем покрытие содержит слой α-Al₂O_3, и между указанной основой и указанным слоем α-Al₂O₃ покрытие содержит слой TiCN, и между указанным слоем α-Al₂O₃ и указанным слоем TiCN содержит связующий слой, причем указанный слой α-Al₂O₃ имеет коэффициент текстуры ТС(hkl)_, измеренный методом рентгеновской дифракции с использованием излучения CuKα и сканирования θ-2θ, определенный по формуле Харриса

,

в которой I(hkl) означает измеренную интенсивность (интегральная площадь) рефлекса (hkl); I₀(hkl) означает стандартную интенсивность согласно PDF-карте ICDD № 00-010-0173, n означает число рефлексов, использующихся в расчетах, и причем использующиеся (hkl) рефлексы соответствуют (104), (110), (113), (024), (116), (214), (300) и (0012), отличающийся тем, что TC(0012) ≥ 7,2, предпочтительно ≥ 7,4, более предпочтительно ≥ 7,5, более предпочтительно ≥ 7,6, наиболее предпочтительно ≥7,7, причем отношение I(0012)/I(0114) ≥ 1, предпочтительно ≥ 1,5, более предпочтительно ≥ 1,7, наиболее предпочтительно ≥ 2.

2. Режущий инструмент по п. 1, в котором количество гамма-фазы составляет от 3 до 25 об.%.

3. Режущий инструмент по п. 1 или 2, в котором доля аномальных зерен WC составляет от 0 до 0,025.

4. Режущий инструмент по любому из пп. 1-3, в котором распределение гамма-фазы N составляет от 15 до 75 мкм².

5. Режущий инструмент по любому из пп. 1-4, в котором толщина указанного слоя TiCN составляет 4-20 мкм.

6. Режущий инструмент по любому из пп. 1-5, в котором толщина указанного слоя α-Al₂O₃ составляет 2-20 мкм.

7. Режущий инструмент по любому из пп. 1-6, в котором покрытие дополнительно включает связующий слой, содержащий TiN, TiCN, TiCNO и/или TiCO или их комбинацию, предпочтительно TiCN и TiCNO, находящийся дальше всего от слоя TiCN и граничащий со слоем α-Al₂O₃.

8. Режущий инструмент по п. 7, в котором толщина связующего слоя составляет 0,5-2 мкм.

9. Режущий инструмент по любому из пп. 1-8, в котором слой TiCN, находящийся между слоем α-Al₂O₃ и основой, имеет коэффициент текстуры TC(hkl), измеренный рентгеновской дифракцией с использованием излучения CuKα и сканирования θ-2θ, определенный по формуле Харриса, в которой I(hkl) означает измеренную интенсивность (интегральная площадь) рефлекса (hkl), I₀(hkl) означает стандартную интенсивность согласно PDF-карте ICDD № 42-1489, n означает число рефлексов, причем рефлексы, использующиеся в расчетах, соответствуют (111), (200), (220), (311), (331), (420), (422) и (511), при этом TC(220) ≤ 0,5, предпочтительно ≤0,3, более предпочтительно ≤0,2, наиболее предпочтительно ≤0,1.

10. Режущий инструмент по п. 9, в котором слой TiCN имеет TC(422) ≥3, предпочтительно ≥3,5.

11. Режущий инструмент по п. 9 или 10, в котором для слоя TiCN сумма TC(311)+TC(422) ≥ 4, предпочтительно ≥5, более предпочтительно ≥6, наиболее предпочтительно ≥7.