СНАБЖЕННЫЙ ПОКРЫТИЕМ РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ Российский патент 2021 года по МПК C23C28/04 C23C16/36 C23C16/40 C23C16/44 C23C30/00 B23B27/14 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее раскрытие относится к снабженному покрытием режущему инструменту для механической обработки металлов с образованием стружки, точней, снабженному покрытием режущему инструменту, включающему в себя подложку, покрытую многослойным износостойким покрытием, содержащим слой оксида алюминия и слой карбонитрида титана. Снабженный покрытием режущий инструмент в соответствии с настоящим раскрытием особенно полезен в применениях с высокими требованиями к абразивной износостойкости, например, в токарной обработке, фрезеровании или сверлении металлического материала, такого как легированная сталь, углеродистая сталь или труднообрабатываемая твердая сталь.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Нанесение тонких, тугоплавких покрытий на режущих инструментах широко использовалось в механообрабатывающей отрасли в течение нескольких десятилетий. Покрытия, такие как TiCN и Al₂O₃, как было показано, улучшают износостойкость режущих вставок при резании многих различных материалов. Сочетание на внутреннем слое TiCN и внешнем слое α–Al₂O₃ можно найти на многих промышленных режущих инструментах, сконструированных для токарной обработки или фрезерования, например, стали. Однако с развитием технологии устанавливаются более высокие требования к режущим инструментам. Таким образом, существует потребность в снабженных покрытием режущих инструментах, имеющих улучшенную износостойкость в операциях обработки металлов резанием.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее раскрытие предлагает снабженный покрытием режущий инструмент, имеющий улучшенные рабочие характеристики в операциях резания, в частности, снабженный покрытием режущий инструмент, имеющий улучшенную износостойкость, например, высокую стойкость к износу в виде кратера и износу задней поверхности резца. Настоящее раскрытие дополнительно предусматривает способ получения снабженного покрытием режущего инструмента, имеющего вышеупомянутые свойства.

Согласно аспектам, проиллюстрированным в настоящем документе, предложен снабженный покрытием режущий инструмент, включающий в себя подложку, покрытую многослойным износостойким покрытием, содержащим слой α–Al₂O₃ и слой карбонитрида Ti_xC_yN_1–y с 0,85≤x≤1,3, предпочтительно 1,1≤x≤1,3 и 0,4≤y≤0,85, осажденный на слой α–Al₂O₃, при том Ti_xC_yN_1–y имеет коэффициент текстуры TC(hkl), измеренный с помощью рентгеновской дифракции с использованием излучения CuKα и сканирования θ–2θ, причем TC(hkl) определяется по формуле Харриса (Harris):

,

где I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность (интегрированную площадь) отражения (hkl);

I₀(hkl) представляет собой стандартную интенсивность стандартной порошковой дифракции в соответствии с JCPDS(Объединенный комитет порошковых дифракционных стандартов)–картой №42–1489;

n представляет собой число отражений, использованное в расчете, и где использованными отражениями (hkl) являются (111), (200), (220), (311), (331), (420) и (422); и при том TC(111)≥3.

Неожиданно оказалось, что слой Ti_xC_yN_1–y режущего инструмента в соответствии с настоящим раскрытием имеет неожиданно высокую твердость. Повышенная твердость слоя покрытия обычно ассоциируется с улучшенной износостойкостью, такой как стойкость к износу в виде кратера и износу задней поверхности резца. Использованный в настоящем документе термин режущий инструмент включает, но не ограничен, заменяемые пластины (вставки) режущего инструмента, индексируемые пластины режущего инструмента, а также цельные режущие инструменты.

Настоящее изобретение основано на реализации того, что с помощью покрытия режущего инструмента покрытием, включающим в себя слой α–Al₂O₃ и слой карбонитрида титана Ti_xC_yN_1–y, осажденный поверх слоя α–Al₂O₃, и где Ti_xC_yN_1–y имеет как раз предпочтительную ориентацию, может быть получен режущий инструмент, имеющий слой карбонитрида титана с повышенной твердостью, и, таким образом, улучшенную износостойкость в применениях машиномеханической обработки. Конкретней, такие свойства могут быть достигнуты с помощью режущего инструмента с покрытием, включающим в себя слой α–Al₂O₃ и слой карбонитрида титана TixCyN_1–y, в котором, как обнаружено, геометрически эквивалентные кристаллографические плоскости {111} Ti_xC_yN_1–y, являются предпочтительно ориентированными параллельно подложке, что выражено в настоящем документе как коэффициент текстуры TC (111)≥3.

Слой Ti_xC_yN_1–y обычно осаждают путем химического осаждения при умеренной температуре из паровой фазы (MTCVD, moderate temperature chemical vapor deposition) при температуре 600–900°C. α–Al₂O₃ обычно осаждают путем химического осаждения из паровой фазы (CVD, chemical vapor deposition) при температуре 800–1200°C. Слой Ti_xC_yN_1–y обычно осаждают непосредственно поверх слоя Al₂O₃ без промежуточного слоя. Однако объем раскрытия также включает варианты осуществления, содержащие тонкий промежуточный слой, присутствующий между слоем Ti_xC_yN_1–y и слоем α–Al₂O₃. Зерна осажденных Ti_xC_yN_1–y и α–Al₂O₃ являются преимущественно столбчатыми.

Кроме того, покрытие в соответствии с настоящим раскрытием обеспечивает превосходную адгезию между слоем Ti_xC_yN_1–y и нижележащими слоями.

Многослойное покрытие покрывает, по меньшей мере, площадь режущего инструмента, которая задействована в операции резания, а также, по меньшей мере, площади, подвергаемые износу в виде кратера и/или износу задней поверхности резца. Альтернативно, весь режущий инструмент может быть покрыт многослойным покрытием по настоящему описанию.

В некоторых вариантах осуществления настоящего раскрытия слой α–Al₂O₃ имеет коэффициент текстуры TC(hkl), измеренный с помощью рентгеновской дифракции с использованием излучения CuKα и сканирования θ–2θ, определенный по формуле Харриса, где I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность (интегрированную площадь) отражения (hkl), I₀(hkl) представляет собой стандартную интенсивность из данных стандартной порошковой рентгеновской дифракции в соответствии с JCPDS–картой №00–010–0173, n является числом отражений, использованным в расчете, и где использованными отражениями (hkl) являются (104), (110), (113), (024), (116), (214), (300) и (0012); и TC(0012)≥7, предпочтительно TC(0012)≥7,2. Высокая интенсивность отражения от (0012), как показано, является преимуществом в том смысле, что это один путь для содействия формированию развитой текстуры <111> последующего слоя Ti_xC_yN_1–y layer.

В некоторых вариантах осуществления толщина слоя Ti_xC_yN_1–y составляет 1–10 µм, предпочтительно 1–5 µм, более предпочтительно 1–3 µм, наиболее предпочтительно 1–2 µм. Толщина слоя α–Al₂O₃ составляет 0,1–7 µм, предпочтительно 0,1–5 µм или 0,1–2 µм, или 0,3–1 µм.

В некоторых вариантах осуществления покрытие включает в себя дополнительный слой карбонитрида титана Ti_uC_vN_1–v с 0,85≤u≤1,3, предпочтительно 1,1≤u≤1,3 и 0,4≤v≤0,85, расположенный между подложкой и слоем α–Al₂O₃. Слой Ti_uC_vN_1–v может быть осажден непосредственно на подложку. Однако объем этого раскрытия также включает варианты осуществления, содержащие тонкий промежуточный слой между подложкой и слоем Ti_uC_vN_1–v, такой как слой TiN. Предпочтительно, Ti_uC_vN_1–v осаждают путем MTCVD при температуре 600–900°C. Толщина слоя Ti_uC_vN_1–v составляет обычно 3–20 µм, предпочтительно 3–10 µм или 3–7 µм, или 3–5 µм.

В некоторых вариантах осуществления слой Ti_uC_vN_1–v, расположенный между слоем α–Al₂O₃ и подложкой, имеет коэффициент текстуры TC(hkl), определенный с помощью рентгеновской дифракции с использованием излучения CuKα и сканирования θ–2θ, определенный по формуле Харриса, где I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность (интегрированную площадь) отражения (hkl), I₀(hkl) представляет собой стандартную интенсивность в соответствии с JCPDS–картой №42–1489, n является числом отражений, использованными в расчете отражениями являются (111), (200), (220), (311), (331), (420) и (422); и при том TC(422)≥3, предпочтительно TC(422)≥3,5. В одном варианте осуществления слой Ti_uC_vN_1–v имеет TC(311)+TC(422)≥4; ≥5; ≥6; или ≥7. Как было показано, высокая интенсивность отражения (422) в Ti_uC_vN_1–v является преимуществом в том смысле, что это один способ содействия формированию развитой текстуры <001> последующего слоя α–Al₂O₃.

В некоторых вариантах осуществления слой Ti_xC_yN_1–y имеет более высокую среднюю твердость, чем слой Ti_uC_vN_1–v. Твердость предпочтительно измеряют путем наноинтентирования с использованием индентора Берковича (Berkovich), причем твердость H определяют как H=(P/24,5h_c²), где P представляет собой максимальное контактное давление, показываемое индентором на слое покрытия, и h_c представляет собой глубину сделанного индентором углубления. Индентирования проводят предпочтительно при постоянной нагрузке 3000 µН/мин до глубины h_c=110 нм.

В некоторых вариантах осуществления слой Ti_xC_yN_1–y имеет среднюю твердость более чем 25 ГПа, предпочтительно более чем 26 ГПа, более предпочтительно более чем 27 ГПа, даже более предпочтительно более чем 30 ГПа. Твердость измеряют предпочтительно путем наноиндентирования, используя индентор Берковича, причем твердость H определяют как H=(P/24,5h_c²), где P представляет собой максимальное контактное давление, показываемое индентором на слое покрытия, и h_c представляет собой глубину сделанного индентором углубления. Индентирования предпочтительно проводят при постоянной нагрузке 3000 µН/мин до глубины h_c=110 нм. Также могут рассматриваться известные в области техники другие инденторы. Высокая твердость Ti_xC_yN_1–y может быть преимуществом в том смысле, что она обеспечивает снабженный покрытием режущий инструмент с повышенной износостойкостью.

В некоторых вариантах осуществления покрытие имеет суммарную толщину 4–32 µм, предпочтительно 4,5–20 µм или 5–15 µм.

В некоторых вариантах осуществления подложку выбирают из цементированного карбида, кермета, керамики, стали или кубического нитрида бора. Эти подложки имеют твердости и вязкости, которые подходят покрытию из настоящего изобретения.

В некоторых вариантах осуществления подложка снабженного покрытием режущего инструмента состоит из цементированного карбида, содержащего 4–12 мас.% Co, предпочтительно 6–8 мас.% Co, необязательно 0,1–10 мас.% кубических карбидов, нитридов или карбонитридов металлов из групп IVb, Vb и VIb Периодической таблицы, предпочтительно Ti, Nb, Ta или комбараринаций из них, а остальное – WC.

В некоторых вариантах осуществления подложка представляет собой цементированный карбид с обогащенной связующей фазой поверхностной зоной. Толщина обогащенной связующей фазой поверхностной зоны составляет предпочтительно 5–35 µм при измерении от поверхности подложки и по направлению к сердцевине подложки. Обогащенная связующей фазой поверхностная зона имеет среднее содержание связующей фазы, по меньшей мере, на 50% выше, чем содержание связующей фазы в сердцевине подложки. Обогащенная связующей фазой поверхностная зона повышает вязкость подложки. Подложка с высокой вязкостью предпочтительна в операциях резания, таких как токарная обработка стали.

В некоторых вариантах осуществления подложка представляет собой цементированный карбид с поверхностной зоной, по существу свободной от кубических карбидов. Толщина поверхностной зоны, по существу свободной от кубических карбидов, составляет предпочтительно 5–35 µм при измерении от поверхности подложки и по направлению к сердцевине подложки. Под "по существу свободной" подразумевается, что никаких кубических карбидов не видно при визуальном анализе поперечного сечения в светооптическом микроскопе.

В некоторых вариантах осуществления подложка представляет собой цементированный карбид с обогащенной связующей фазой поверхностной зоной, как раскрыто выше, в сочетании с поверхностной зоной, по существу свободной от кубических карбидов, как описано выше.

Согласно другим аспектам, проиллюстрированным в настоящем документе, также предложен способ получения снабженного покрытием режущего инструмента, имеющего подложку, причем способ содержит этапы

a) осаждения слоя Ti_uC_vN_1–v путем MTCVD при температуре 600–900°С на подложке

b) осаждения слоя α–Al₂O₃ путем CVD при температуре 800–1200°С поверх слоя Ti_uC_vN_1–v;

c) осаждения слоя карбонитрида титана Ti_xC_yN_1–y поверх слоя Al₂O₃ путем MTCVD при температуре 600–900°С в атмосфере, содержащей TiCl₄, CH₃CN, N₂ и H₂ при парциальном давлении 3–13 об.% H₂ и 83–94 об.% N₂, предпочтительно 3–10 об.% H₂ и 85–93 об.% N₂, при том Ti_xC_yN_1–y имеет коэффициент текстуры TC(hkl), измеренный с помощью рентгеновской дифракции с использованием излучения CuKα и сканирования θ–2θ, причем TC(hkl) определяется по формуле Харриса:

,

где I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность (интегрированную площадь) отражения (hkl);

I₀(hkl) представляет собой стандартную интенсивность из данных стандартной порошковой дифракции в соответствии с JCPDS–картой №42–1489;

n представляет собой число отражений, использованное в расчете, и где использованными отражениями (hkl) являются (111), (200), (220), (311), (331), (420) и (422); и при том TC(111)≥3.

Неожиданно было обнаружено, что при использовании малого количества H₂ в CVD–реакторе может быть получен Ti_xC_yN_1–y, имеющий текстуру согласно настоящему раскрытию. Согласно настоящему раскрытию, как полагают, малое количество H₂ обозначает количество в диапазоне 3–13 об.%, предпочтительно 3–10 об.%. Кроме того, большое количество N₂, такое как в диапазоне 83–94 об.%, предпочтительно 85–93 об.%, может быть выгодным. Суммарное давление в реакторе составляет предпочтительно около 80 мбар.

Снабженный покрытием режущий инструмент, изготовленный в соответствии со способом, может быть дополнительно определен, как изложено выше, со ссылкой на снабженный покрытием режущий инструмент по изобретению. В частности, толщина слоя Ti_xC_yN_1–y покрытия может составлять 1–10 µм, предпочтительно 1–5 µм, более предпочтительно 1–3 µм, наиболее предпочтительно 1–2 µм.

В некоторых вариантах осуществления слой α–Al₂O₃ из способа предпочтительно имеет коэффициент текстуры TC(hkl), измеренный с помощью рентгеновской дифракции с использованием излучения CuKα и сканирования θ–2θ, определенный по формуле Харриса, где I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность (интегрированную площадь) отражения (hkl), I₀(hkl) представляет собой стандартную интенсивность из данных стандартной порошковой рентгеновской дифракции в соответствии с JCPDS–картой №00–010–0173, n является числом отражений, использованным в расчете, и где использованными отражениями (hkl) являются (104), (110), (113), (024), (116), (214) (300) и (0012); и TC(0012)≥7, предпочтительно TC(0012)≥7,2.

В некоторых вариантах осуществления способа толщина слоя α–Al₂O₃ составляет предпочтительно 0,1–7 µм, предпочтительно 0,3–5 µм или 0,3–2 µм, или 0,3–1 µм.

В некоторых вариантах осуществления способа толщина слоя Ti_uC_vN_1–v составляет предпочтительно 3–20 µм, предпочтительно 3–10 µм или 3–7 µм, или 3–5 µм.

В некоторых вариантах осуществления способа слой Ti_uC_vN_1–v, расположенный между слоем α–Al₂O₃ и подложкой, имеет коэффициент текстуры TC(hkl), измеренный с помощью рентгеновской дифракции с использованием излучения CuKα и сканирования θ–2θ, определенный по формуле Харриса, где I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность (интегрированную площадь) отражения (hkl), I₀(hkl) представляет собой стандартную интенсивность в соответствии с JCPDS–картой №42–1489, n является числом отражений, использованными в расчете отражениями являются (111), (200), (220), (311), (331), (420) и (422); и при том TC(422)≥3.

В некоторых вариантах осуществления способа слой Ti_xC_yN_1–y имеет более высокую среднюю твердость, чем слой Ti_uC_vN_1–v.

В некоторых вариантах осуществления способа слой Ti_xC_yN_1–y имеет среднюю твердость более чем 25 ГПа, предпочтительно более чем 26 ГПа или более чем 27 ГПа.

В некоторых вариантах осуществления способа покрытие имеет суммарную толщину 4–32 µм, предпочтительно 4,5–20 µм или 5–15 µм.

В некоторых вариантах осуществления способа подложку выбирают из цементированного карбида, кермета, керамики, стали или кубического нитрида бора.

ПРИМЕРЫ

Снабженный покрытием режущий инструмент и способ согласно настоящему раскрытию будут далее описаны более подробно с помощью неограничивающих примеров.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ И МЕТОДЫ

CVD–покрытия

CVD–покрытия готовили в реакторе с радиальным потоком типа Bernex BPX 325S, имеющем высоту 1250 мм и диаметр 325 мм.

Коэффициент текстуры, TC

Кристаллографическая плоскость кристалла определяется индексами Миллера h, k, l. Средство для выражения предпочтительного роста, т.е. то, что один набор геометрически эквивалентных кристаллографических плоскостей {hkl} оказывается преимущественно ориентированным параллельно подложке, представляет собой коэффициент текстуры TC (hkl), рассчитанный по формуле Харриса на основе определенного набора XRD–отражений, измеренных на соответствующем образце. Интенсивности отражений стандартизованы с использованием JCPDS–карты, указывающей интенсивности XRD–отражений от того же материала, например, TiCN, но со случайной ориентацией, такой как в порошке материала. Коэффициент текстуры TC (hkl)>1 слоя кристаллического материала указывает на то, что зерна кристаллического материала ориентированы так, что их кристаллографическая плоскость {hkl} параллельна поверхности подложки чаще, чем при случайном распределении, по меньшей мере, по сравнению с XRD–отражениями, используемыми в формуле Харриса для определения коэффициента текстуры TC.

Термин "столбчатые" зерна в данном документе предназначен для обозначения кристаллических зерен, которые растут от нижней части слоя к внешней поверхности слоя, и которые обычно вытянуты в этом направлении. Столбчатые зерна отличаются от равноосных зерен тем, что равноосные зерна непрерывно восстанавливаются в процессе роста слоя.

Рентгенодифрактографические (XRD) измерения

Кристаллографию тонких пленок, фазовые составы и ориентацию вне плоскости оценивали с помощью дифракции рентгеновских лучей при θ–2θ с использованием дифрактометра Philips MRD–XPERT, снабженного первичным гибридным монохроматором и вторичным рентгеновским зеркалом. Для измерений использовали излучение CuKα при напряжении 45 кВ и токе 40 мА. Использовали антирассеивающую щель ½ градуса и приемную щель 0,3 мм. Дифрагированную интенсивность от снабженного покрытием режущего инструмента измеряли в интервале для 2θ от 30° до 140°, то есть в интервале угла падения θ от 15° до 70°.

Анализ данных, включая вычитание фона и подбор профиля данных, был выполнен с использованием программного обеспечения PANalytical X'Pert HighScore Plus. Выходные данные (интегрированные площади пиков для кривой, подобранной по профилю) из этой программы затем использовали для расчета коэффициентов текстуры слоя путем сравнения отношения данных измеренной интенсивности к данным стандартной интенсивности в соответствии с JCPDS–картой конкретного слоя (такого как слой TiCN или α–Al₂O₃), используя формулу Харриса, как описано выше.

Поскольку слой представлял собой пленку конечной толщины, относительные интенсивности пары пиков при разных углах 2θ отличаются от интенсивности для объемных образцов из–за различий в длине пути через слой. Поэтому, применяли поправку на тонкую пленку к интегрированным площадям пика извлеченных интенсивностей для подобранной по профилю кривой с учетом также линейного коэффициента поглощения слоя при расчете значений TC. Так как возможные дополнительные слои над, например, слоем Ti_xC_yN_1–y, будут влиять на интенсивности рентгеновского излучения, входящего в слой Ti_xC_yN_1–y и выходящего из всего покрытия, необходимо также внести поправки для них, принимая во внимание линейный коэффициент поглощения для соответствующего соединения в слое. То же самое относится к измерениям дифракции рентгеновских лучей для слоя α–Al₂O₃, если слой α–Al₂O₃ расположен ниже, например, слоя Ti_xC_yN_1–y. Альтернативно, дополнительный слой, такой как TiN над слоем Ti_xC_yN_1–y, может быть удален способом, который существенно не влияет на результаты XRD–измерений, например, химическим травлением или механическим полированием. В вариантах осуществления, содержащих нижний слой Ti_uC_vN_1–v, расположенный между слоем α–Al₂O₃ и подложкой, внешний слой Ti_xC_yN_1–y необходимо удалить перед проведением измерений дифракции рентгеновских лучей для нижнего слоя Ti_uC_vN_1–v.

Измерения твердости

Твердость слоя карбонитрида титана измеряли с использованием наноиндентирования. Наноиндентирование проводили с использованием наноиндентора CSM UNHT с помощью индентора Берковича с алмазным наконечником. Индентирования осуществляли при постоянной нагрузке 3000 µН/мин до глубины h_c=110 нм. Твердость измеряли на ровной внешней поверхности или слое после осторожного полирования поверхности (алмазной суспензией 6 µм) для уменьшения поверхностной шероховатости. Измерения на образцовой установке проводили на плавленом кварце для выбора оптимальных рабочих характеристик индентора. Твердость H определяется как H=(P/24,5h_c²), где P является контактным давлением, показываемым индентором на слое покрытия, и h_c является глубиной углубления, сделанного индентором. Углубление делали в направлении, перпендикулярном поверхности слоя. Любые внешние слои необходимо удалять с помощью, например, химического травления или механического полирования перед проведением измерения твердости.

Пример 1 – Ti_xC_yN_1–y на сапфировом кристалле

Подготовка образца и анализ

Ti_xC_yN_1–y выращивали на подложках (001) из полированного монокристалла с–сапфира в CVD–реакторе Bernex 325 химического осаждения из паровой фазы на горячую стенку, имеющем высоту 1250 мм и диаметр 325 нм, при температуре 830°C.

Экспериментальные условия для осаждения покрытий в соответствии с настоящим раскрытием (образец 1 и 2) и для образца сравнения (образец 3) показаны в таблице 1. Покрытия выращивали до толщины около 1,5 µм.

Таблица 1. Экспериментальные условия в CVD–камере.

MTCVD Ti_xC_yN_1–y (830°C) Давление
[мбар] TiCl₄
[об.%] CN₃CN [об.%] H₂
[об.%] N₂
[об.%] Образец 1
(изобр.) 80 3,3 0,5 8,7 87,5 Образец 2
(изобр.) 80 3,3 0,5 5,0 91,2 Образец 3
(сравн.) 80 3,3 0,5 96,2 0

Рентгеновская дифрактография (XRD–измерения) и коэффициенты текстуры

Слои Ti_xC_yN_1–y в покрытиях анализировали путем рентгеновской дифракции, при этом определяли, как описано выше, коэффициенты текстуры (hkl)–отражений (111), (200), (220), (311), (331), (420) и (422) для TiCN. Применяли поправку на тонкую пленку к исходным данным XRD. Результаты показаны в таблице 2.

Таблица 2. Коэффициенты текстуры Ti_xC_yN_1–y.

Образец TC(111) TC(200) TC(220) TC(311) TC(331) TC(420) TC(422) 1 (изобр.) 7,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 2 (изобр.) 7,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 3 (сравн.) 2,8 0,0 0,0 0,7 0,0 0,0 3,5

Измерения твердости

Измеряли твердость слоев Ti_xC_yN_1–y, наноиндентирование проводили с использованием наноиндентора CSM UNHT с индентором Берковича с алмазным наконечником и рассчитывали, как описано выше. Твердостью покрытия считали среднюю твердость после 36 вдавливаний. Результаты показаны в таблице 3.

Таблица 3. Измерения твердости.

Образец Средняя твердость [ГПа] 1 (изобр.) 37 2 (изобр.) 36 3 (сравн.) 22

Пример 2 – Ti_xC_yN_1–y на цементированном карбиде

Подготовка образца и анализ

Подложку из цементированного карбида по типу ИСО CNMG120408 для токарной обработки готовили из 7,2 вес.% Co, 2,7 вес.% Ta, 1,8 вес.% Ti, 0,4 вес.% Nb, 0,1 вес.% N и остальное–WC, включающую в себя обогащенную Co поверхностную зону около 25 µм от поверхности подложки и вглубь в тело, по существу являющуюся свободной от кубических карбидов. Таким образом, составом цементрованного карбида является примерно 7,2 вес.% Co, 2,9 вес.% TaC, 1,9 вес.% TiC, 0,4 вес.% TiN, 0,4 вес.% NbC и 86,9 вес.% WC.

Пластину, образец 4, сначала покрывали тонким слоем TiN около 0,4 µм, затем слоем Ti_uC_vN_1–v около 12 µм с применением хорошо известного метода MTCVD с использованием TiCl₄, CH₃CN, N₂, HCl и H₂ при 885°C. Объемное отношение TiCl₄/CH₃CN в первоначальной части MTCVD–осаждения слоя Ti_uC_vN_1–v составляло 6,6, с использованием отношения TiCl₄/CH₃CN 3,7 в последующем периоде. Подробности осаждения TiN и Ti_uC_vN_1–v показаны в таблице 4.

Таблица 4. Образец 4 с MTCVD–осаждением TiN и Ti_uC_vN_1–v

MTCVD TiN и Ti_uC_vN_1–v
(885°C) Давление
[мбар] H₂
[об.%] N₂
[об.%] HCl
[об.%] TiCl₄
[об.%] CH₃CN
[об.%] TiN 400 48,8 48,8 – 2,44 – Ti_uC_vN_1–v внутренний 55 59 37,6 – 2,95 0,45 Ti_uC_vN_1–v внешний 55 81,5 7,8 7,8 2,38 0,65

Поверх MTCVD–слоя Ti_uC_vN_1–v осаждали при 1000°C связующий слой толщиной 1–2 µм способом, состоящим из четырех отдельных реакционных стадий. Во–первых, стадия HTCVD–Ti_uC_vN_1–v с использованием TiCl₄, CH₄, N₂, HCl и H₂ при 400 мбар, затем вторая стадия (TiCNO–1) с использованием TiCl₄, CH₃CN, CO, N₂ и H₂ при 70 мбар, затем третья стадия (TiCNO–2) с использованием TiCl₄, CH₃CN, CO, N₂ и H₂ при 70 мбар и, в конце концов, четвертая стадия (TiCNO–3) с использованием TiCl₄, CO, N₂ и H₂ при 70 мбар. Во время третьей и четвертой стадий осаждения некоторые из газов непрерывно изменялись, как показано первым исходных уровнем содержания и вторым конечным уровнем содержания, представленными в таблице 5. До начала последующего зародышеобразования Al₂O₃ связующий слой окисляли при 55 мбар в течение 4 мин в смеси CO₂, CO, N₂ и H₂. Подробности осаждения связующего слоя показаны в таблице 5.

Таблица 5. Образец 4 с осаждением связующего слоя

Связующий слой (1000°C) H₂
[об.%] N₂
[об.%] CH₄
[об.%] HCl
[об.%] CO
[об.%] TiCl₄
[об.%] CH₃CN
[об.%] CO₂
[об.%] HTCVD–TiCN 67,9 25,5 3,4 1,7 – 1,56 – – TiCNO–1 83,7 12 – 1,2 1,2 1,5 0,4 – TiCNO–2 63,1–61,7 31,5–30,9 – – 1,6–3,7 3,15–3,09 0,66–0,64 – TiCNO–3 62,1–61,5 31,1–30,8 – – 3,7–4,6 3,11–3,08 – – Окисление 53,8 30 – – 12,5 – – 3,7

Слой α–Al₂O₃ осаждали поверх связующего слоя, используя CVD. Весь α–Al₂O₃ осаждали при 1000°C и 55 мбар в две стадии. Первая стадия с использованием 1,2 об.% AlCl₃, 4,7 об.% CO₂, 1,8 об.% HCl и остальное – H₂, дающая около 0,1 µм α–Al₂O₃, и вторая стадия, как описано ниже, дающая суммарную толщину слоя α–Al₂O₃ около 10 µм.

Слой α–Al₂O₃ второй стадии осаждали с использованием 1,2% AlCl₃, 4,7% CO₂, 2,9% HCl, 0,58% H₂S и остальное – H₂, см. таблицу 6.

Таблица 6. Образец 4 со второй стадией осаждения α–Al₂O₃ (остальное – H₂)

Образец HCl [об.%] CO₂ [об.%] H₂S [об.%] AlCl₃ [об.%] 4 2,9 4,7 0,58 1,2

Слой Ti_xC_yN_1–y толщиной 1,7 осаждали поверх слоя α–Al₂O₃, используя MTCVD. Слой Ti_xC_yN_1–y осаждали при 830°C и 80 мбар, используя 3,3 об.% TiCl₄, 0,5 об.% CH₃CN, 8,75 об.% H₂ и остальное – N₂, см. таблицу 7.

Таблица 7. Осаждение крайнего снаружи слоя TiCN.

MTCVD–Ti_xC_yN_1–y (830°C) TiCl₄
[об.%] CN₃CN [об.%] H₂
[об.%] N₂
[об.%] Скорость роста [µм/мин] Образец 4 (Изобр.) 3,3 0,5 8,8 87,5 0,67

Рентгеновская дифрактография (XRD–измерения) и коэффициенты текстуры

Крайний снаружи слой Ti_xC_yN_1–y, внутренний слой Ti_uC_vN_1–v и слой α–Al₂O₃ покрытия анализировали с помощью рентгеновской дифракции (XRD) и определяли коэффициенты текстуры отражений(hkl), как описано в настоящем документе. К данным XRD применяли поправку на тонкую пленку. Результаты представлены в таблицах 8–10.

Таблица 8. Коэффициенты текстуры крайнего снаружи слоя TiCN образца 4

(hkl) TC (111) 3,41 (200) 0,00 (220) 0,04 (311) 0,37 (331) 0,16 (420) 0,23 (422) 2,81

Таблица 9. Коэффициенты текстуры внутреннего слоя TiCN образца 4

(hkl) TC (111) 0,03 (200) 0,00 (220) 0,02 (311) 1,08 (331 0,16 (420) 0,04 (422) 5,67

Таблица 10. Коэффициенты текстуры слоя α–Al₂O₃ образца 4

(hkl) TC (104) 0,00 (110) 0,05 (113) 0,00 (024) 0,00 (116) 0,00 (214) 0,00 (300) 0,00 (0012) 7,95

Измерения твердости

Твердость крайнего снаружи слоя Ti_xC_yN_1–y измеряли с помощью наноинтентирования с использованием наноиндентора CSM UNHT с индентором Берковича с алмазным наконечником и рассчитывали, как описано выше в настоящем документе. Твердостью покрытия крайнего снаружи слоя Ti_xC_yN_1–y считали среднюю твердость после 15 вдавливаний. Среднюю твердость крайнего снаружи слоя Ti_xC_yN_1–y измеряли до 26,7 ГПа.

Изобретение относится к снабженному покрытием режущему инструменту для механической обработки металлов: для токарной обработки, фрезерования или сверления металлического материала: легированной, углеродистой или труднообрабатываемой твердой стали. Режущий инструмент содержит подложку, покрытую многослойным износостойким покрытием, включающим в себя слой альфа–Al₂O₃ и слой карбонитрида титана Ti_xC_yN_1–y с 0,85≤x≤1,3, предпочтительно 1,1≤x≤1,3 и 0,4≤y≤0,85, осажденный на слой альфа–Al₂O₃, причем Ti_xC_yN_1–y имеет коэффициент текстуры TC(hkl), равный или более 3. Режущий инструмент имеет слой карбонитрида титана с повышенной твердостью, а соответственно, улучшенную износостойкость в применениях машиномеханической обработки. 9 з.п. ф-лы, 10 табл., 2 пр.

1. Снабженный покрытием режущий инструмент, содержащий подложку, покрытую многослойным износостойким покрытием, включающим в себя слой α–Al₂O₃ и слой карбонитрида титана Ti_xC_yN_1–y с 0,85≤x≤1,3, предпочтительно 1,1≤x≤1,3 и 0,4≤y≤0,85, осажденный на слой α–Al₂O₃, причем Ti_xC_yN_1–y имеет коэффициент текстуры TC(hkl), измеренный с помощью рентгеновской дифракции с использованием излучения CuKα и сканирования θ–2θ, причем TC(hkl) определяется по формуле Харриса:

где I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность (интегрированную площадь) отражения (hkl);

I₀(hkl) представляет собой стандартную интенсивность из данных стандартной порошковой дифракции в соответствии с JCPDS–картой №42–1489;

n представляет собой число отражений, использованное в расчете, и где использованными отражениями (hkl) являются (111), (200), (220), (311), (331), (420) и (422); и

причем TC(111)≥3.

2. Снабженный покрытием режущий инструмент по п.1, в котором слой α–Al₂O₃ имеет коэффициент текстуры TC(hkl), измеренный с помощью рентгеновской дифракции с использованием излучения CuKα и сканирования θ–2θ, определенный по формуле Харриса, в которой I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность (интегрированную площадь) отражения (hkl), I₀(hkl) представляет собой стандартную интенсивность из данных стандартной порошковой дифракции в соответствии с JCPDS–картой №00–010–0173, n является числом отражений, использованным в расчете, и где использованными отражениями являются (104), (110), (113), (024), (116), (214), (300) и (0012); и TC(0012)≥7, предпочтительно TC(0012) ≥ 7,2.

3. Снабженный покрытием режущий инструмент по п.1 или 2, в котором толщина слоя Ti_xC_yN_1–y составляет 1–10 мкм, предпочтительно 1–5 мкм или 1–3 мкм, или 1–2 мкм.

4. Снабженный покрытием режущий инструмент по любому из предшествующих пунктов, в котором толщина слоя α–Al₂O₃ составляет 0,3–7 мкм, предпочтительно 0,3–5 мкм или 0,3–2 мкм, или 0,3–1 мкм.

5. Снабженный покрытием режущий инструмент по любому из предшествующих пунктов, в котором покрытие включает в себя дополнительный слой карбонитрида титана Ti_uC_vN_1–v с 0,85≤u≤1,3, предпочтительно 1,1≤u≤1,3 и 0,4≤v≤0,85, расположенный между подложкой и слоем α–Al₂O₃, причем слой Ti_uC_vN_1–v, расположенный между слоем α–Al₂O₃ и подложкой, имеет коэффициент текстуры TC(hkl), измеренный с помощью рентгеновской дифракции с использованием излучения CuKα и сканирования θ–2θ, определенный по формуле Харриса, где I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность (интегрированную площадь) отражения (hkl), I₀(hkl) представляет собой стандартную интенсивность в соответствии с JCPDS–картой №42–1489, n является числом отражений, использованными в расчете отражениями являются (111), (200), (220), (311), (331), (420) и (422); и

причем TC(422)≥3.

6. Снабженный покрытием режущий инструмент по п.5, в котором толщина слоя Ti_uC_vN_1–v составляет 3–20 мкм, предпочтительно 3–10 мкм или 3–7 мкм, или 3–5 мкм.

7. Снабженный покрытием режущий инструмент по любому из пп.5, 6, в котором слой Ti_xC_yN_1–y имеет более высокую среднюю твердость, чем слой Ti_uC_vN_1–v.

8. Снабженный покрытием режущий инструмент по любому из предшествующих пунктов, в котором слой Ti_xC_yN_1–y имеет среднюю твердость более чем 25 ГПа, предпочтительно более чем 26 ГПа, даже более предпочтительно более чем 27 ГПа.

9. Снабженный покрытием режущий инструмент по любому из предшествующих пунктов, в котором покрытие имеет суммарную толщину 4–32 мкм, предпочтительно 4,5–20 мкм или 5–15 мкм.

10. Снабженный покрытием режущий инструмент по любому из предшествующих пунктов, в котором подложку выбирают из цементированного карбида, кермета, керамики, стали или кубического нитрида бора.