РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ПОКРЫТИЕМ
CUTTING TOOL WITH COATING

Настоящее изобретение относится к режущему инструменту с покрытием. Режущий инструмент с покрытием содержит корпус из твердого сплава и покрытие, нанесенное осаждением из газовой фазы (PVD).
Введение
В технике хорошо известны режущие инструменты с PVD-покрытием, где PVD-покрытие, нанесено на твердосплавную подложку (субстрат).
Нанослойные PVD-покрытия, состоящие из множества подслоев различного состава, применяются уже долгое время. Эти покрытия включают различные подслои A, B, C…, которые, как правило, представляют собой нитриды металлов, многократно осажденные в виде, например, A/B/A/B/A… или A/B/C/A/B/C/A… Отдельные подслои обычно обладают толщиной от 3 до 100 нм и часто от 5 до 25 нм, что означает, что имеется большое общее число подслоев на каждый мкм толщины нанослойного PVD-покрытия. Металлы могут принадлежать к 4, 5 и 6 группам Периодической таблицы элементов, например, Ti, Zr, V и Cr; также часто используют Al и Si. Конкретные примеры - это, например, нанослойные покрытия, где отдельные слои - это TiAlN и TiN или различные подслои TiAlN с различными соотношениями Ti/Al.
Субстраты из твердого сплава в режущих инструментах могут содержать различные количества фазы связующего, обычно Co. Помимо основного компонента, WC, также могут присутствовать другие твердые компоненты, такие как карбиды Ti, Ta и Nb. Также могут быть добавлены такие элементы, как Cr. Особое сочетание компонентов в твердом сплаве, а также особый способ спекания, позволяет получить фактическую микроструктуру и влияют на такие свойства, как прочность и твердость.
Фрезеровка стали - это важный способ промышленного резания металлов. Материалы ISO P применяют особенно широко. Фрезеровочные работы требуют обработки металлов резанием, которая по своей природе обычно неравномерна. Термическая и механическая нагрузка меняются во времени. Первая вызывает появление термических напряжений, которые могут приводить к так называемым термическим трещинам в покрытиях, в то время как последняя может вызвать выкрашивание режущей кромки вследствие усталости. Таким образом, обычные виды износа при фрезеровке - это растрескивание и выкрашивание, т.е. отделение небольших фрагментов режущей кромки от остального субстрата. Оба вида износа могут усиливаться при отслаивании покрытия на ранней стадии. Поэтому повышение устойчивости к термическому растрескиванию, прочности кромки и сопротивления отслаиванию имеют огромное значение для повышения срока службы инструмента. PVD-покрытия обычно применяют в случае режущих инструментов при фрезеровочных работах. Применение нанослойного PVD-покрытия вообще вместо гомогенного PVD-покрытия может снизить распространение трещин в покрытии. Также нанослойное покрытие, включающее, в частности, более твердые подслои, перемежающиеся более мягкими подслоями, может дополнительно снижать риск выкрашивания путем поглощения ударов более мягкими подслоями.
Таким образом, при применении сталей ISO P при фрезеровке требуется режущий инструмент с покрытием, демонстрирующий одновременное сочетание высокой прочности кромки (устойчивость к выкрашиванию кромки), высокой устойчивости к термическому растрескиванию, высокой устойчивости к отслаиванию, высокой химической стойкости и абразивной износостойкости.
В противоположность фрезеровке обточка - это непрерывная механическая обработка. Термостойкие жаропрочные сплавы (HRSA) и титан, т.е. материалы ISO S, - это важные материалы, например, в аэрокосмической промышленности. Обработка материалов ISO S сложна из-за свойств материала заготовок. Такие материалы твердые и подвергаются засаливанию. Их обработка приводит к выделению большого количества тепла и способствует таким механизмам износа, как адгезионный, абразивный и химический износ. Формирование зарубрин, отслаивание и выкрашивание - обычные причины сокращения срока службы рабочего инструмента. Таким образом, при обточке материалов ISO S требуется режущий инструмент с покрытием, демонстрирующий одновременное сочетание высокой прочности кромки (устойчивость к выкрашиванию кромки), устойчивости к абразивному и химическому износу и высокой устойчивости к отслаиванию. Благодаря их прочности и прочности при высоких температурах нанокристаллические PVD-покрытия с высоким содержанием Al широко применяются при механической обработке материалов ISO S.
x
1-x
y
1-y
В EP 1 795 628 A1 описан режущий инструмент с покрытием для фрезерования стальных сплавов и нержавеющих сталей, где на субстрат из твердого сплава, содержащий 8-11 мас.% Co и 0,1-0,5 мас.% Cr, методом осаждения паров в условиях вакуума нанесено нанослойное покрытие A/B/A/B/A…, где подслои A и B состоят из AlTiN и TiAlN, x=0,4-0,7 и y=0,6-1, x<y.
z
1-z
v
1-v
m
1-m
n
1-n
k
1-k
В EP 2 011 894 A1 описана режущая пластина режущего инструмента с покрытием для разрезания, проточки канавок и нарезки резьбы в случае сталей и нержавеющих сталей; пластина включает субстрат из твердого сплава и PVD-покрытие, состоящее из двух слоев (Ti,Al)N с различным соотношением Ti/Al. В одном варианте осуществления PVD-покрытие изготовлено из внутреннего непериодического ламельного покрытия из TiAlN, состоящего из чередующихся слоев AlTiN И AlTiN, где z=0,55-0,70, v=0,35-0,53, и внешнего ламельного покрытия (Ti,Al)N, состоящего из чередующихся слоев AlTiN, AlTiN и AlTiN, где m=0-0,1, n=0,35-0,53 и k=0,55-0,70. Субстрат из твердого сплава содержит 7,5-10,5 мас.% Co и 0,8-1,0 мас.% Cr.
x
1-x
y
1-y
В EP 2 008 743 A1 описана режущая пластина режущего инструмента с покрытием для обточки жаропрочных суперсплавов и нержавеющих сталей с субстратом из твердого сплава и PVD-покрытием, представлявшим собой непериодическое слоистое покрытие (Ti,Al)N со средним составом 0,4-0,7. Отдельные слои имеют состав AlTiN, где x=0,4-0,7, и TiAlN, где y=0,6-1. Субстрат из твердого сплава содержит 5-8 мас.% Co и 0,3-1,5 мас.% Cr.
Сущность изобретения
Предложен режущий инструмент с нанослойным PVD-покрытием (Ti,Al,Cr)N, нанесенным на субстрат из Cr-содержащего твердого сплава, который превосходит ранее известные режущие инструменты для механической обработки материалов ISO P, что требует сочетания высокой устойчивости к термическому растрескиванию с высокой прочностью кромки, как при фрезеровочных работах.
Режущий инструмент с покрытием согласно настоящему изобретению также превосходит ранее известные режущие инструменты для обработки резанием, такой как обточка, жаропрочных суперсплавов (HRSA) и титана, т.е. материалов ISO S, где требуется высокая износостойкость в сочетании с высокой прочностью кромки.
Режущий инструмент с покрытием может представлять собой режущую пластину с покрытием, такую как режущая пластина с покрытием для обточки, или режущая пластина с покрытием для фрезерования, или режущая пластина с покрытием для сверления, или режущая пластина с покрытием для нарезания резьбы, или режущая пластина с покрытием для резания и нанесения канавок. Режущий инструмент с покрытием также может представлять собой сверло из сплошного карбида с покрытием или концевую фрезу.
a
b
c
u
v
w
x
y
z
В соответствии с настоящим изобретением представлен режущий инструмент с покрытием, имеющий корпус из твердого сплава и PVD-покрытие, корпус из твердого сплава имеет состав: 5-18 мас.% Co, 0,1-2,5 мас.% Cr, 0-10 мас.% карбидов или карбонитридов (кроме WC) металлов 4, 5 и 6 группы Периодической таблицы элементов и остаток из WC, PVD-покрытие представляет собой нанослойное PVD- покрытие (Ti,Al,Cr)N со средним составом TiAlCrN, где a=0,25-0,7, b=0,3-0,7 и c=0,01-0,2, a+b+c=1, PVD-покрытие представляет собой нанослойное PVD-покрытие A/B/A/B/A…, где подслои A и B имеют следующий состав: A: TiAlCrN, u=0,1-0,4, v=0,5-0,8, w=0,01-0,3, u+v+w=1, и B: TiAlCrN, x=0,4-0,7, y=0,3-0,6, z=0-0,2, x+y+z=1, u<x и v>y; толщина нанослойного PVD-покрытия, составляет 0,5-10 мкм.
Схематическое изображение нанослойного PVD-покрытия (Ti,Al,Cr)N, нанесенного на корпус, приведено на фиг. 1.
В одном из вариантов осуществления корпус из твердого сплава содержит 6-15 мас.% Co.
В одном из вариантов осуществления корпус из твердого сплава содержит 6-14 мас.% Co.
В одном из вариантов осуществления корпус из твердого сплава содержит 8-12 мас.% Co.
В одном из вариантов осуществления корпус из твердого сплава содержит 9-11 мас.% Co.
В одном из вариантов осуществления корпус из твердого сплава содержит 10-15 мас.% Co.
В одном из вариантов осуществления корпус из твердого сплава содержит 12-15 мас.% Co.
В одном из вариантов осуществления корпус из твердого сплава содержит 6-8 мас.% Co.
В одном из вариантов осуществления корпус из твердого сплава содержит 0,1-2,5 мас.% Cr.
В одном из вариантов осуществления корпус из твердого сплава содержит 0,2-2 мас.% Cr.
В одном из вариантов осуществления корпус из твердого сплава содержит 0,4-1,8 мас.% Cr.
В одном из вариантов осуществления корпус из твердого сплава содержит 0,6-1,6 мас.% Cr.
В одном из вариантов осуществления корпус из твердого сплава содержит 0,8-1,4 мас.% Cr.
В одном варианте осуществления твердый сплав имеет состав  8-12 мас.% Co, предпочтительно 9-11 мас.% Co и 0,6-1,8 мас.% Cr, предпочтительно 0,8-1,6 мас.% Cr, и остаток из WC. Это предпочтительный вариант осуществления, где режущий инструмент с покрытием - это режущая пластина с покрытием для фрезерования материалов ISO P.
В одном варианте осуществления твердый сплав имеет состав 12-15 мас.% Co и 0,8-2 мас.% Cr, предпочтительно 1-1,8 мас.% Cr, и остаток из WC. Это другой предпочтительный вариант осуществления, где режущий инструмент с покрытием - это режущая пластина с покрытием для фрезерования материалов ISO P.
В одном варианте осуществления твердый сплав имеет состав 6-8 мас.% Co и 0,4-1,2 мас.% Cr, предпочтительно 0,5-1 мас.% Cr, и остаток из WC. Это предпочтительный вариант осуществления, где режущий инструмент с покрытием - это режущая пластина с покрытием для обточки материалов ISO S.
Весовое отношение Cr/Co в корпусе из твердого сплава равно, соответственно, 0,01-0,2, или 0,02-0,19, или 0,03-0,18, или 0,04-0,16, или 0,05-0,15, или 0,06-0,14, или 0,07-0,13, или 0,08-0,12.
Корпус из твердого сплава может также включать добавки одного или более металлов Me, таких как Ti, Ta, Nb, V и Zr, в количестве 50-300 ppm по весу или 100-200 ppm по весу.
Корпус из твердого сплава может содержать 0-5 мас.%, или 0-3 мас.%, или 0-1 мас.%, или 0-0,5 мас.%, или 0-0,1 мас.% карбидов или карбонитридов одного или более металлов 4, 5 и 6 группы Периодической таблицы элементов, помимо WC.
Металлы из 4, 5 и 6 групп Периодической таблицы элементов - это, соответственно, металлы из группы Ti, Ta, Nb, V, Zr, Cr, W и Mo.
В одном из вариантов осуществления корпус из твердого сплава фактически не содержит фаз выделения в фазе связующего Co, за исключением WC.
Твердый сплав может содержать небольшие количества (<1 об. % или <0,5 об. %) выделений так называемой эта-фазы или других примесей без каких-либо неблагоприятных эффектов.
Корпус из твердого сплава, соответственно, содержит Me/Co в атомном отношении (ат. % Ti+ат. % Ta+ат. % Nb+ат. % V+ат. % Zr)/ат. % Co, что меньше или равно 0,014-(CW_Cr)*0,008 и больше 0,0005, предпочтительно больше 0,0007, с Cw_Cr 0,75-0,95, предпочтительно 0,80-0,92, где:
CW_Cr=(магнитный % Co+1,13* мас.% Cr)/ мас.% Co.
Магнитные свойства твердых сплавов определяются ферромагнитными свойствами связующей фазы Co, тогда как жесткие фазы (WC и т. д.) не являются ферромагнетиками. Вклад Co в фазе связующего в измеренном магнитном моменте всегда составляет только долю от (теоретического) магнитного момента 100% чистого Co. Это может быть связано, например, с тем, что некоторые металлы в составе твердого сплава, такие как W и Cr, могут растворяться в связующей фазе Co во время спекания и вызывать снижение ферромагнитных свойств в фазе связующего Co по сравнению с чистым Co. Таким образом, термин "магнитный % Co" означает магнитный момент, измеренный по отношению к магнитному моменту чистого Co.
Магнитная коэрцитивность корпуса из твердого сплава составляет, соответственно, 14-30 кА/м, или 16-29 кА/м, или 18-28 кА/м.
В одном варианте осуществления магнитная коэрцетивность корпуса из твердого сплава составляет 25-29 кА/м.
В одном варианте осуществления магнитная коэрцетивность корпуса из твердого сплава составляет 18-24 кА/м.
Для измерений коэрцитивности используется стандарт DIN IEC 60404-7 (Определение напряженности коэрцитивного поля в открытой магнитной цепи).
Размер зерен d для WC в корпусе из твердого сплава составляет, соответственно, 0,20-0,80 мкм, или 0,25-0,75 мкм, или 0,30-0,70 мкм, или 0,30-0,50 мкм.
Размер зерна d для WC определяют по магнитной коэрцитивности. Соотношение между коэрцитивностью и размером зерна в WC описано, например, в Roebuck et al., Measurement Good Practice No. 20, National Physical Laboratory, ISSN 1368-6550, November 1999, Revised February 2009, Section 3,4,3, pp. 19-20. Для целей такого применения размер зерна d в WC определяют в соответствии с формулой (8) на стр. 20 в указанной ссылке:
1
1
Co
2
2
Co
K=(c+dW)+ (c+dW)/d. Преобразование дает:
2
2
Co
1
1
Co
d=(c+dW)/ (K-(c+dW)), где
Co
1=
2
1
2
d - размер зерен WC в корпусе из твердого сплава, K - коэрцитивность корпуса из твердого сплава в кА/м, измеренная здесь в соответствии со стандартом DIN IEC 60404-7, W - мас.% Co в корпусе из твердого сплава, c1,44, c=12,47, d=0,04 и d=-0,37.
a
b
c
Средний состав TiAlCrN нанослойного PVD-покрытия отвечал, предпочтительно a=0,28-0,55, наиболее предпочтительно a=0,3-0,45, предпочтительно b=0,4-0,65, наиболее предпочтительно b=0,5-0,6 и предпочтительно c=0,02-0,15, наиболее предпочтительно c=0,03-0,12, a+b+c=1.
u
v
w
Для подслоя A нанослойного PVD-покрытия TiAlCrN, u составляет, соответственно, 0,15-0,35, предпочтительно 0,2-0,3, v составляет, соответственно, 0,55-0,75, предпочтительно 0,6-0,7, w=0,02-0,2, предпочтительно 0,05-0,15, u+v+w=1.
x
y
z
Для подслоя B нанослойного PVD-покрытия TiAlCrN, x равно, соответственно, 0,45-0,6, предпочтительно 0,45-0,55, y равно, соответственно, 0,35-0,55, z=0-0,15, предпочтительно 0-0,10, наиболее предпочтительно 0-0,05, x+y+z=1.
В одном варианте осуществления y=0,35-0,45.
В одном варианте осуществления y=0,45-0,55.
В одном варианте осуществления z=0.
В одном варианте осуществления нанослойное PVD-покрытие  включает подслои A и B, состоящие, соответственно из:
u
v
w
A: TiAlCrN, u=0,15-0,35, v=0,55-0,75, w=0,02-0,2 и
x
y
z
B: TiAlCrN, x=0,45-0,6, y=0,35-0,55, z=0-0,15.
a
b
c
a
b
c
Атомное отношение Ti/Al в среднем составе TiAlCrN нанослойного PVD-покрытия, т.е. a/b в среднем составе TiAlCrN нанослойного PVD-покрытия, равно, соответственно, 0,4-1,2, предпочтительно 0,4-1,0, более предпочтительно 0,4-0,85, даже более предпочтительно 0,5-0,8, наиболее предпочтительно 0,6-0,75.
Нанослойное PVD-покрытие, может быть непериодическим или периодическим в зависимости, например, от конструкции аппарата для нанесения PVD-покрытия, движения покрываемых заготовок по отношению к мишеням и т.д.
В одном варианте осуществления нанослойное PVD-покрытие - это непериодическое покрытие.
В одном варианте осуществления нанослойное PVD-покрытие - это периодическое покрытие.
Толщина каждого подслоя A и B нанослойного PVD покрытия равна 3-100 нм, или 3-75 нм, или 5-50 нм, или 5-25 нм.
Общее число подслоев A и B на каждый мкм нанослойного PVD-покрытия, составляло, соответственно, 15-200, или 25-150, или 50-125.
Толщина нанослойного PVD-покрытия (либо на передней поверхности, либо на задней поверхности, либо с обеих сторон режущего инструмента с покрытием), равна 0,5-10 мкм, или 1-8 мкм, или 1-6 мкм, или 2-6 мкм.
В одном варианте осуществления толщина нанослойного PVD-покрытия (либо на передней поверхности, либо на задней поверхности, либо на обеих поверхностях режущего инструмента с покрытием), составляет 3-5 мкм. Это предпочтительный вариант осуществления, где режущий инструмент с покрытием - это режущая пластина с покрытием для фрезерования материалов ISO P.
В одном варианте осуществления толщина нанослойного PVD-покрытия (либо на передней поверхности, либо на задней поверхности, либо на обеих поверхностях режущего инструмента с покрытием), составляет 1-4 мкм, предпочтительно 1,5-3,5 мкм. Это предпочтительный вариант осуществления, где режущий инструмент с покрытием - это режущая пластина с покрытием для обточки материалов ISO P.
Толщина нанослойного PVD-покрытия была измерена как на участке передней поверхности в 200 мкм от середины кромки, так и на участке задней поверхности в 200 мкм от середины кромки, например, при помощи светооптической микроскопии. На каждом из двух участков измеряли толщины слоев на трех участках покрытия и рассчитывали средние значения.
Могут иметься дальнейшие слои поверх нанослойного PVD-покрытия, но их общая толщина не должна превышать 50%, предпочтительно не должна превышать 25%, от толщины нанослойного PVD-покрытия. Из возможных дальнейших слоев может иметься внешний PVD-слой (Ti,Al)N толщиной 0,1-1 мкм, нанесенный, например, для окрашивания. Кроме того, из возможных дальнейших слоев может иметься внутренний PVD-слой TiN, толщиной 0,1-0,5 мкм например, нанесенный для обеспечения адгезии.
Нанослойное покрытие (Ti,Al,Cr)N может также включать один металлический элемент Me или более в небольших количествах, несущественно влияющих на свойства заявленного покрытия (Ti,Al,Cr)N, например, вследствие наличия примесей в мишенях, применяемых в процессе PVD-нанесения покрытия, например, менее 1 ат. %, или менее 0,5 ат. %, или менее 0,3 ат. %, или менее 0,1 ат. % от суммы Ti+Al+Cr+Me в нанослойном покрытии. Me - это один или более металлов из Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, Fe, W и Si.
2
Нанослойное PVD-покрытие можно получить путем катодного дугового испарения в вакуумной камере. Мишени соответствующего состава помещают в вакуумную камеру для получения желательного нанослойного PVD-покрытия. Используют, соответственно, смещение постоянным током, а другие технологические параметры, такие как поток и давление N, напряжение смещения, анодный ток, температура и время, необходимо подобрать, что известно экспертам в области физического осаждения из газовой фазы.
Напряжение смещения составляет, соответственно, 30-100 В, или 40-90 В, или 50-80 В.
Температура при осаждении нанослойного PVD-покрытия равна, соответственно, 250-750°C, предпочтительно 300-600°C, наиболее предпочтительно 350-500°C.
Корпус режущего инструмента из твердого сплава с покрытием, т.е. после нанесения PVD-покрытия, обладает, соответственно, остаточным напряжением RSтc от -1 до -4 ГПа или от -1,2 до -3 ГПа. Поскольку значения отрицательные, остаточное напряжение является сжимающим.
PVD
PVD-покрытие, обладало, соответственно, остаточным напряжением RS от -0,5 до -4,5 ГПа или от -1,5 до -3,5 ГПа. Поскольку значения отрицательные, остаточное напряжение является сжимающим.
PVD
PVD
Различие между остаточным напряжением RSтc корпуса из твердого сплава и остаточным напряжением RS в PVD-покрытии, таково, что абсолютное значение разности |RSтc-RS| равно, соответственно 0-1,5 ГПа, или 0-1 ГПа, или 0-0,8 ГПа, или 0-0,6 ГПа, или 0-0,4 ГПа.
2
2
Plus
Остаточное напряжение оценивали при помощи измерений методом рентгеновской дифракции с применением хорошо известного метода sinψ, как описано в I.C. Noyan, J.B. Cohen, Residual Stress Measurement by Diffraction and Interpretation, Springer-Verlag, New York, 1987 (pp. 117-130). См. также, например, V Hauk, Structural and Residual Stress analysis by Nondestructive Methods, Elsevier, Amsterdam, 1997. Для PVD-покрытия измерения осуществляют с применением CuKα-излучения по рефлексу (Ti,Al,Cr)N (200). Для корпуса из твердого сплава измерения осуществляют с применением CuKα-излучения по рефлексу WC (300). Метод определения кинематического угла наклона (ψ-геометрия) использовали с шесть-одиннадцатью, предпочтительно восемью ψ-углами, равноудаленными в выбранном диапазоне sinψ. Предпочтительно равноудаленное распределение Φ-углов в Φ-секторе, равном 90°. Для подтверждения состояния двуосного напряжения образец вращают на углы Φ=0 и 90° при наклоне на ψ. Рекомендуется исследовать возможное присутствие сдвиговых напряжений, поэтому измеряют как отрицательные, так и положительные ψ-углы. В случае весов Эйлера на 1/4 этого достигают путем измерения образца также при Φ=180 и 270° для различных ψ-углов. Измерение осуществляют на настолько плоской поверхности, насколько возможно, предпочтительно на задней поверхности режущей пластины. Для калибровки значений остаточного напряжения для покрытия, нанесенного методом осаждения паров в условиях вакуума, применяют коэффициент Пуассона ν=0,33 и модуль Юнга E=350 ГПа, а для корпуса из твердого сплава используют коэффициент Пуассона ν=0,19 и модуль Юнга E=650 ГПа. Данные оценивают с применением коммерческого программного обеспечения, такого как DIFFRAC Stress32 v. 7,7 (Bruker AXS), предпочтительно выделяющего рефлексы (Ti,Al,Cr)N (200) и WC (300), соответственно, с применением псевдовойтовой функции. Общее значение напряжения рассчитывают как среднее от полученных двухосных напряжений.
ПРИМЕРЫ
Пример 1 (изобретение):
Имелись фрезерные заготовки из твердого сплава (с геометрией R390-1108T3M-PM) с составом, включающим 10,0 мас.% Co, 1,0 мас.% Cr, 0,013 мас.% Ti, 0,010 мас.% Ta и остаточным WC. Таким образом, весовое соотношение Cr/Co было равно 0,10. Заготовки были изготовлены из прессованного порошка, подвергнутого спеканию. Их магнитная коэрцитивность, измеренная при помощи устройства FÖRSTER KOERZIMAT CS 1,096 (Foerster Instruments Inc.) согласно DIN IEC 60404-7, составляла 21,5 кА/м; их значение намагниченности (магнитный % по Co) было равно 7,9, что соответствовало соотношению CW_Cr, равному 0,90. Размер зерен WC, определенный ранее в описании по коэрцитивности, составлял 0,45 мкм.
50
50
25
65
10
Нанослойное PVD-покрытие получали путем катодного дугового испарения в вакуумной камере. Вакуумная камера имеет четыре полки для дуговой обработки. Мишени состава TiAl располагали на двух полках напротив друг друга. Далее, мишени состава TiAlCr располагали на оставшихся двух полках напротив друг друга. См. фиг. 2.
Непокрытые заготовки располагали на стержнях, подвергавшихся тройному вращению в камере для физического осаждения из газовой фазы.
Имелся столик для субстрата с рядом колодок с участками для стержней для заготовок как на верхнем, так и на нижнем уровне.
Сначала осуществляли стадию травления Ar плазмой.
На последующей стадии нанесения покрытия получали нанослойное PVD-покрытие (Ti,Al,Cr)N. Использованные технологические параметры приведены в таблице 2. Выбирали соответствующий ток дугового разряда для достижения желательной скорости осаждения.
Время нанесения, равное 90 мин, приводило к получению покрытия толщиной 2,7 мкм на передней поверхности и 3,6 мкм на задней поверхности (на контрольных заготовках).
Таблица 2
Давление N<sub>2</sub>
Напряжение смещения
Тип смещения
Время
Вращение столика
Темп.
4,10<sup>-2</sup> мбар
70 В
смещение постоянным током
75 мин
3 об/мин
550°C
Покрытие представляло собой бинарное A+B+A+B+... непериодическое многослойное покрытие, т.е. слои с нерегулярной толщиной.
0,38
0,56
0,06
Средний состав покрытия по данным EDS (энергодисперсионная спектроскопия) при помощи прибора Hitachi S-4300 FEG-SEM отвечал TiAlCrN.
Толщины подслоев A и B были в диапазоне от примерно 10 до примерно 25 нм. В среднем 15 нм. Число подслоев A и B на каждый мкм составляло около 70.
Пример 2 (изобретение):
50
40
10
25
65
10
Режущий инструмент с покрытием изготавливали в соответствии с технологией, описанной в Примере 1, с применением фрезерных заготовок из твердого сплава с одинаковой геометрией и составом, но с использованием мишеней из TiAlCr и TiAlCr.
Покрытие состояло из бинарного непериодического мультислоя A+B+A+B+..., т.е. слоев с различной толщиной, но со средней толщиной слоя A+B, равной 60-120 нм.
0,37
0,53
0,10
Средний состав покрытия: TiAlCrN.
Измеренная толщина покрытия - 2,9 мкм на передней поверхности и 3,8 мкм на задней поверхности (на контрольных заготовках).
Пример 3 (изобретение):
Режущий инструмент с покрытием изготавливали в соответствии с технологией, описанной в Примере 1, с применением фрезерных заготовок из твердого сплава с одинаковой геометрией и составом, но при снижении температуры нанесения покрытия до 500°C и повышении напряжения смещения до 70 В.
Толщина покрытия составляла около 2,5 мкм на передней поверхности и 3,5 мкм на задней поверхности (на контрольных заготовках).
0,38
0,56
0,06
Средний состав покрытия по данным EDS (энергодисперсионная спектроскопия) при помощи прибора Hitachi S-4300 FEG-SEM отвечал TiAlCrN.
Измеряли остаточное напряжение в корпусе из твердого сплава с PVD-покрытием и в покрытии. Результаты приведены в таблице 3.
Таблица 3
Номер образца
Корпус из твердого сплава(после нанесения покрытия)
PVD-Покрытие
Φ=0°
Φ=90°
Φ=0°
Φ=90°
Пример 3 (изобретение)
-2,1 ГПа
-2,2 ГПа
-2,5 ГПа
-2,4 ГПа
Пример 4 (сравнение):
75
25
40
60
Режущий инструмент с покрытием изготавливали в соответствии с технологией, описанной в Примере 1, с применением фрезерных заготовок из твердого сплава с одинаковой геометрией и составом, но с использованием мишеней из TiAl и TiAl.
Покрытие состояло из бинарного непериодического мультислоя A+B+A+B+..., т.е. слоев с различной толщиной, но со средней толщиной слоя A+B, равной 60-120 нм.
0,60
0,40
Средний состав покрытия: TiAlN.
Измеренная толщина покрытия - 2,3 мкм на передней поверхности и 3,3 мкм на задней поверхности (на контрольных заготовках).
Пример 5 (сравнение):
50
40
10
Режущий инструмент с покрытием изготавливали в соответствии с технологией, описанной в Примере 1, с применением фрезерных заготовок из твердого сплава с одинаковой геометрией и составом, но с использованием мишеней одинакового состава, из TiAlCr.
50
40
10
Покрытие состояло из монолитного слоя TiAlCrN.
Измеренная толщина покрытия - 2,3 мкм на передней поверхности и 3,5 мкм на задней поверхности (на контрольных заготовках).
Пример 6 (сравнение):
25
65
10
Режущий инструмент с покрытием изготавливали в соответствии с технологией, описанной в Примере 1, с применением фрезерных заготовок из твердого сплава с одинаковой геометрией и составом, но с использованием мишеней одинакового состава, из TiAlCr.
25
65
10
Покрытие состояло из монолитного слоя TiAlCrN.
Измеренная толщина покрытия - 2,7 мкм на передней поверхности и 3,5 мкм на задней поверхности (на контрольных заготовках).
Объяснение терминов, использованных в Примерах 7 и 11:
Следующие выражения/термины обычно используют при резке металла; тем не менее они объяснены в таблице далее:
c
V (м/мин): скорость резания в метрах в минуту
fz (мм/зуб): скорость подачи в мм на зуб (при фрезеровке)
fn (мм/об): скорость подачи при вращении (при обточке)
z: (число) число зубьев на резце
e
a (мм): радиальная глубина канавки в мм
p
a (мм) осевая глубина канавки в мм
Пример 7:
Режущие пластины из Примеров 1-6 тестировали на сопротивление термическому растрескиванию, прочность кромки, отслаивание и износостойкость, что отвечает основным типам износа при фрезеровке согласно ISO-P.
Сопротивление термическому растрескиванию
:
Материал заготовки: Toolox33, PK158 600×200×100мм, P2,5.Z.HT
z=1
c
V= 250 м/мин
z
f=0,20 мм
e
a=12,5 мм
p
a=3,0
со смазочно-охлаждающей жидкостью
Критерии исключения достигаются при выкрашивании кромки >0,30 мм. Срок службы инструмента представляется как число разрезов, необходимых для достижения этих критериев.
Прочность кромки:
Материал заготовки: Dievar незакаленный, P3. 0.Z.AN,
z=1
c
V=200 м/мин
z
f=0,20 мм
e
a=12 мм
p
a=3,0
длина разреза=12мм
без смазочно-охлаждающей жидкости
Критерии исключения - выкрашивание по меньшей мере 0,5 мм кромки или измеренная глубина 0,2 мм либо на задней поверхности, либо на передней поверхности. Срок службы инструмента представляют как число разрезов, необходимых для достижения этих критериев.
Тест на отслаивание:
Тест проводят с применением низкоуглеродистой стали, что в сочетании со смазочно-охлаждающей жидкостью вызывает отслоение покрытия на передней поверхности.
Материал заготовки: SS2244-05, PL121 600×200×20мм,
z=1
c
V= 150 м/мин
z
f=0,15 мм
e
a=12,5 мм
p
a=1,0
со смазочно-охлаждающей жидкостью
Площадь отслаивания измеряют после 10 разрезов (7 мин на разрез).
Износостойкость:
В тесте на износостойкость оценивают устойчивость в отношении непрерывного износа по задней поверхности и язвенного износа.
Материал заготовки: Toolox33, Твердость 300HB, PK158 600×200×100мм, P2,5.Z.HT, z=1
c
V=220 м/мин
z
f=0,15 мм
e
a=50 мм
p
a=2,0
без смазочно-охлаждающей жидкости
Критерии исключения для срока службы инструмента - это износ по задней поверхности, равный 0,13 мм.
Результаты приведены ниже в таблице 3. Уровень качества отмечают по фактическим значениям (++, +, 0, -).
Таблица 3
PVD-Покрытие
Сопротивление термическому растрескиванию
Прочность кромки
Тест на отслаивание (площадь отслаивания, мм<sup>2</sup>)
Срок службы инструмента(мин)
Пример 1 (изобретение)
Ti<sub>0,38</sub>Al<sub>0,56</sub>Cr<sub>0,06</sub>Nнанослойное
22 (+)
35 (0)
0,04 (+)
45 (+)
Пример 2 (изобретение)
Ti<sub>0,37</sub>Al<sub>0,53</sub>Cr<sub>0,10</sub>Nнанослойное
18 (+)
35 (0)
0,04 (+)
41 (+)
Пример 3 (изобретение)
Ti<sub>0,38</sub>Al<sub>0,56</sub>Cr<sub>0,06</sub>Nнанослойное
14 (0)
60 (++)
0,03 (+)
40 (+)
Пример 4 (сравнение)
Ti<sub>0,60</sub>Al<sub>0,40</sub>Nнанослойное
11 (-)
61 (+)
0,04 (+)
45 (+)
Пример 5 (сравнение)
Ti<sub>50</sub>Al<sub>40</sub>Cr<sub>10</sub>монолитное
11 (-)
72 (++)
0,03 (+)
36 (+)
Пример 6 (сравнение)
Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub>монолитное
12 (-)
23 (-)
0,13 (-)
25 (-)
Можно заключить, что образцы согласно изобретению превосходят образцы для сравнения в отношении сопротивления растрескиванию. В то же время данные по прочности кромки, отслаивания и износостойкости удовлетворительные или даже отличные.
Пример 8 (изобретение):
Имелись заготовки для обточки из твердого сплава (с геометрией CNMG 120408-MM) и заготовки для фрезеровки (с геометрией R245-12T3MPM1) с составом 10,0 мас.% Co, 0,039 мас.% Cr и остатком из WC. Таким образом, весовое соотношение Cr/Co было равно 0,039. Заготовки были изготовлены из прессованного порошка, подвергнутого спеканию. Их магнитная коэрцитивность, измеренная при помощи устройства FÖRSTER KOERZIMAT CS 1,096 (Foerster Instruments Inc.) согласно DIN IEC 60404-7, составляла 20,45 кА/м; их значение намагниченности (магнитный. % по Co) было равно 8,45, что соответствовало соотношению CW_Cr, равному 0,89. Размер зерен WC, определенный ранее в описании по коэрцитивности, составлял 0,47 мкм.
Было получено нанослойное покрытие (Ti,Al,Cr)N, нанесенное методом осаждения паров в условиях вакуума с применением той же технологии и параметров, что и в Примере 1, где, однако, для каждого из PVD-покрытий были использованы два различных набора мишеней, приведенные ниже в таблице 4.
Таблица 4
Номер образца
Состав первых мишеней
Состав вторых мишеней
A/B в нанослое
1
Ti<sub>33</sub>Al<sub>67</sub>
Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub>
Ti<sub>33</sub>Al<sub>67</sub>N /Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub>N
2
Ti<sub>40</sub>Al<sub>60</sub>
Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub>
Ti<sub>40</sub>Al<sub>60</sub>N /Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub>N
3
Ti<sub>50</sub>Al<sub>50</sub>
Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub>
Ti<sub>50</sub>Al<sub>50</sub>N /Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub>N
4
Ti<sub>60</sub>Al<sub>40</sub>
Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub>
Ti<sub>60</sub>Al<sub>40</sub>N /Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub>N
5
Ti<sub>75</sub>Al<sub>25</sub>
Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub>
Ti<sub>75</sub>Al<sub>25</sub>N /Ti<sub>25</sub>Al<sub>65</sub>Cr<sub>10</sub>N
Покрытие на каждом образце представляло собой бинарное A+B+A+B+... непериодическое многослойное покрытие, т.е. слои с нерегулярной толщиной.
Средний состав каждого нанослойного PVD-покрытия оценивали при помощи состава мишеней, по соотношению Ti/Al; состав покрытия приведен в таблице 5. Измеренные толщины каждого нанослойного PVD-покрытия представлены в таблице 5.
Были выполнены три теста для оценки качества покрытия в следующих испытаниях:
- Износостойкость задней поверхности - непрерывный абразивный износ на режущей кромке режущих пластин.
- Износостойкость в отношении язвенного износа - непрерывный износ на передней поверхности режущих пластин
- Устойчивость к формированию гребнеобразных трещин - неоднородный износ - устойчивость к импульсной термической обработке
Тест на износ по задней поверхности:
Продольная обточка
Материал заготовки: Sverker 21 (инструментальная сталь), твердость ~210HB, D=180, L=700 мм,
c
V=125 м/мин
n
f=0,072 мм/об
p
a=2 мм
без смазочно-охлаждающей жидкости
Критерии исключения для срока службы инструмента - это износ по задней поверхности VB, равный 0,15 мм.
Тест на язвенный износ:
Продольная обточка
Материал заготовки: Ovako 825B, шарикоподшипниковая сталь, горячепрокатная, закаленная, твердость ~200 HB, D=160, L=700 мм,
c
V=160 м/мин
n
f=0,3 мм/об
p
a=2 мм
со смазочно-охлаждающей жидкостью
2
Критерии конца срока службы инструмента - площадь ямок, равная 0,8 мм.
Устойчивость к формированию гребнеобразных трещин:
Операция: лобовое фрезерование
Резцедержатель: R245-080027-12M, Dc=80мм
Материал заготовки: Toolox 33 (инструментальная сталь), L=600 мм, I=200 мм, h=100 мм,
Тип режущей пластины: R245- 12T3M-PM1
c
Скорость резания V=320 м/мин
z
Скорость подачи f=0,3 мм/об
p
Глубина резания a=2 мм
e
Радиальный охват a= 15 мм
со смазочно-охлаждающей жидкостью
Критерии конца срока службы инструмента - максимальная высота выкрашивания VB>0,3 мм.
См. результаты ниже в таблице 5.
Таблица 5
Номер образца
Оценочный средний состав PVD-покрытия
Соотношение Ti/Al в PVD-покрытии
Толщина PVD- покрытия, на передней/задней поверхности (мкм)
Износостойкость задней поверхности, срок службы инструмента (мин)
Износостойкость в отношении язвенного износа, срок службы инструмента (мин)
Сопротивление термическому растрескиванию
1
Ti<sub>0,29</sub>Al<sub>0,66</sub>Cr<sub>0,05</sub>N
0,44
4,4/3,1
13,0
3,2
8,8
2
Ti<sub>0,33</sub>Al<sub>0,62</sub>Cr<sub>0,05</sub>N
0,53
4,5/3,3
21,0
3,5
11,5
3
Ti<sub>0,38</sub>Al<sub>0,57</sub>Cr<sub>0,05</sub>N
0,67
3,4/2,7
16,0
5,7
13,3
4
Ti<sub>0,43</sub>Al<sub>0,52</sub>Cr<sub>0,05</sub>N
0,83
3,4/2,6
11,3
6,6
13,8
5
Ti<sub>0,50</sub>Al<sub>0,45</sub>Cr<sub>0,05</sub>N
1,11
3,8/2,8
8,0
6,3
11,8
Можно заключить, что общее сочетание износа по задней поверхности, язвенного износа и устойчивости к термическому растрескиванию для всех образцов является приемлемым. Однако можно видеть диапазоны соотношений Ti/Al, обеспечивающие отличное качество.
Пример 9 (изобретение):
Имелись заготовки для обточки из твердого сплава (с геометрией CNMG 120408-SM), содержащие 7 мас.% Co, 0,7 мас.% Cr, 0,013 мас.% Ti, 0,010 мас.% Ta и остаток из WC. Таким образом, весовое соотношение Cr/Co было равно 0,10. Заготовки были изготовлены из прессованного порошка, подвергнутого спеканию. Их магнитная коэрцитивность, измеренная при помощи устройства FÖRSTER KOERZIMAT CS 1,096 (Foerster Instruments Inc.) согласно DIN IEC 60404-7, составляла 27,0 кА/м; их значение намагниченности (магнитный % по Co) было равно 5,1, что соответствовало соотношению CW_Cr, равному 0,84. Размер зерен WC, определенный ранее в описании по коэрцитивности, составлял 0,39 мкм.
Было получено нанослойное PVD-покрытие (Ti,Al,Cr)N с применением тех же мишеней, стадий обработки и технологических параметров, что и в Примере 1, за исключением более короткого времени осаждения, что приводило к получению более тонкого покрытия.
Покрытие состояло из бинарного непериодического мультислоя A+B+A+B+…, т.е. слоев с различной толщиной, но со средней толщиной слоя A+B, равной 60-120 нм.
Измеренная толщина нанослойного покрытия, нанесенного методом осаждения паров в условиях вакуума, составила 2,0 мкм на задней поверхности.
0,38
0,56
0,06
Средний состав покрытия: TiAlCrN.
Пример 10 (сравнение):
Имелись заготовки для обточки из твердого сплава (с геометрией CNMG 120408-SM), содержащие 6 мас.% Co, 0,22 мас.% Ta, 0,14 мас.% Nb и остаток из WC. Таким образом, твердый сплав не содержал Cr. Заготовки были изготовлены из прессованного порошка, подвергнутого спеканию. Их магнитная коэрцитивность, измеренная при помощи устройства FÖRSTER KOERZIMAT CS 1,096 (Foerster Instruments Inc.) согласно DIN IEC 60404-7, составляла 21,8 кА/м; их значение намагниченности (магнитный % по Co) было равно 5,4. Размер зерен WC, определенный ранее в описании по коэрцитивности, составлял 0,51 мкм.
Было получено нанослойное покрытие (Ti,Al,Cr)N, нанесенное методом осаждения паров в условиях вакуума, с применением тех же мишеней, стадий обработки и технологических параметров, что и в Примере 1, за исключением более короткого времени осаждения, что приводило к получению более тонкого покрытия.
Покрытие состояло из бинарного непериодического мультислоя A+B+A+B+…, т.е. слоев с различной толщиной, но со средней толщиной слоя A+B, равной 60-120 нм.
Измеренная толщина нанослойного покрытия, нанесенного методом осаждения паров в условиях вакуума, составила 2,0 мкм на задней поверхности.
0,38
0,56
0,06
Средний состав покрытия: TiAlCrN.
Пример 11:
Режущие пластины из Примеров 9-10 тестировали на износостойкость при обточке.
Износостойкость:
В тесте на износостойкость оценивают устойчивость в отношении непрерывного износа по задней поверхности и язвенного износа.
Материал заготовки: Inconel718: аустенитный никель-хромовый суперсплав, состаренный, твердость ~450HB
Продольная обточка
c
n
Три различных сочетания V и f:
c
n
1. V=50 м/мин, f=0,2 мм/об
c
n
2. V=70 м/мин, f=0,2 мм/об
c
n
3. V=50 м/мин, f=0,3 мм/об
p
a=1,5 мм
со смазочно-охлаждающей жидкостью
max
Критерии исключения для срока службы - это VB/зазубрина/PD ≥0,3 мм на основной режущей кромке или ≥0,25 мм на вторичной режущей кромке
Таблица 6
Срок службы* (мин), Vc 50 м/мин fn=0,2 мм/об
Срок службы* (мин), Vc 70 м/минf<sub>n</sub>=0,2 мм/об
Срок службы* (мин), Vc 50 м/мин fn=0,3 мм/об
Пример 9 (изобретение)
10
4,8
7,5
Пример 10 (сравнение)
5,2
3
4
max
*минуты до VB/зазубрина/PD ≥0,3 мм на основной режущей кромке или ≥0,25 мм на вторичной режущей кромке
Можно заключить, что образец согласно изобретению превосходит образцы для сравнения в отношении срока службы инструмента.