РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ПОКРЫТИЕМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
COATED CUTTING TOOL AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к режущим инструментам с покрытием, выполненным из керамики, кермета, твердого сплава, поликристаллического алмаза, кубического нитрида бора или быстрорежущей стали, предназначенным для точения, фрезерования, сверления или других способов обработки с формированием стружки.
Уровень техники
Режущие инструменты, выполненные из керамики, кермета или твердого сплава, обычно покрыты твердыми покрытиями для улучшения износостойкости и эксплуатационных характеристик металлорежущего станка. Покрытия обычно оптимизированы по отношению к различным применениям. Эта оптимизация часто базируется на преобладающем механизме износа в частном применении. Например, оксид алюминия, как известно, улучшает сопротивление износу в виде лунки на передней стороне, а различные нитриды, карбиды и карбонитриды тугоплавкого металла, такие как карбонитрид титана, как известно, улучшают сопротивление абразивному износу на задней стороне. Путем формирования покрытий, содержащих различные слои с различными свойствами сопротивление износу на различных частях режущего инструмента вследствие различных механизмов износа, может быть дополнительно улучшено и при усложнении с приданием заданных свойств композиции, микроструктуре, толщине слоя и т.д. могут быть достигнуты улучшенные эксплуатационные показатели при определенном применении. Однако такой подход оставляет компромисс между износом и эксплуатационными характеристиками по отношению к различным частям режущего инструмента. В качестве решения этого использовались различные последующие обработки.
2
3
2
3
Патент США 5,861,210 раскрывает режущий инструмент, покрытый многослойным износостойким покрытием, включающим наружный слой Ti(C, N, O) или Zr(C, N), осажденный на α-AlO слой. Наружный слой механически удаляется посредством обработки щеткой, шлифования, полирования или струйной обработки как только с режущей кромки, так и с передней стороны и режущей кромки так, чтобы открылся нижележащий слой α-AlO для того, чтобы одновременно улучшить сопротивление износу на передней стороне и задней стороне и в особенности сопротивление отслаиванию.
2
3
2
3
В патенте США 5,776,588 раскрыт режущий инструмент, покрытый многослойным износостойким покрытием, включающим, например, внутренний TiCN, промежуточный слой AlO и наружный слой TiN. Слой TiN и слой AlO удаляются с режущей кромки механическими средствами, такими как вибрационное галтование, обработка щеткой, обдувка дробью, шлифование, так, что отрывается внутренний слой TiCN для того, чтобы улучшить сопротивление выкрашиванию покрытия на режущей кромке.
В патенте США 7,431,747 раскрыт режущий инструмент, покрытый многослойным износостойким покрытием, включающим слой оксида алюминия, осажденный на слой твердого материала. Слой оксида алюминия избирательно удаляется посредством лазерной обработки с, по меньшей мере, участка задней стороны так, что открывается нижележащий слой твердого материала для того, чтобы устранить недостатки, связанные с расположением слоев оксида алюминия на задней стороне, и посредством этого избежать увеличения ширины износа на задней стороне и поддержать сопротивление износу в виде лунки на передней стороне.
Раскрытие изобретения
Одна задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить возможность улучшения режущего инструмента с покрытием в отношении к одному или более из: сопротивления износу в виде лунки, сопротивления износу по задней поверхности, прочности кромки, сопротивления отслаиванию и сопротивления пластической деформации без значительного ухудшения одного или более из остальных свойств.
Другая задача изобретения состоит в том, чтобы улучшить сопротивление износу в виде лунки без ухудшения эксплуатационной надежности вследствие отслаивания и/или недостаточной прочности при резании стали, в частности при точении стали.
Еще одна задача изобретения состоит в том, чтобы улучшить сопротивление пластической деформации путем уменьшения передачи тепла в подложку от задней стороны и/или кромки без ухудшения, например, сопротивления износу в виде лунки при резании стали или нержавеющей стали, в частности точении стали или нержавеющей стали.
Еще одна задача изобретения состоит в том, чтобы улучшить сопротивление пластической деформации путем уменьшения передачи тепла в подложку от передней стороны без ухудшения эксплуатационной надежности при резании нержавеющей стали, в частности точении нержавеющей стали.
Задачи достигаются путем режущего инструмента с покрытием и способа его изготовления в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения.
Режущий инструмент с покрытием в соответствии с одним вариантом изобретения включает подложку с передней стороной, задней стороной и режущей кромкой с округлением кромки, описанным вписанным эллипсом с первой осью W вдоль передней стороны и второй осью Н вдоль задней стороны, придающим режущей кромке профиль, соответствующий сегменту эллипса в одном квадранте пересечения передней стороны и задней стороны, и покрытие с толщиной Т, содержащее первый слой и второй слой, осажденный на первый слой. Второй слой включает слоистую структуру, состоящую из внутреннего слоя оксида алюминия, промежуточного слоя и наружного слоя оксида алюминия, причем внутренний слой оксида алюминия или промежуточный слой открыт посредством отверстия в наружном слое оксида алюминия и упомянутое отверстие продолжается на, по меньшей мере, участке ширины режущей кромки и вдоль, по меньшей мере, участка режущей кромки в ортогональном направлении. Отверстие, продолжающееся на, по меньшей мере, участке вдоль ортогонального направления R, здесь означает, что отверстие продолжается на, по меньшей мере, участке вдоль режущей кромки в направлении, ортогональном ширине режущей кромки.
Подложка может быть выполнена из керамики, кермета, твердого сплава, поликристаллического алмаза, кубического нитрида бора или быстрорежущей стали. Режущий инструмент с покрытием может быть предназначен для точения, фрезерования, сверления или других способов обработки с формированием стружки.
Одним преимуществом этого направления, имеющего относительно малую толщину покрытия на кромке, является то, что это уменьшает проблему в этой области режущего инструмента с покрытием, обычно связанную с толстыми покрытиями, такую как отслаивание или недостаток прочности.
В одном варианте изобретения отверстие продолжается на, по меньшей мере, всей ширине режущей кромки. Вся ширина здесь означает ширину W кромки, как показано на фиг.2.
В одном варианте изобретения отверстие продолжается в заднюю сторону. Одно преимущество этого состоит в том, что кромка наружного слоя дальше смещена от режущей кромки и, следовательно, не влияет на операцию резания. Более того, избегается отслаивание относительно толстого покрытия вследствие, например, пластической деформации.
В одном варианте изобретения отверстие продолжается на, по меньшей мере, Н+Т+2 мм в заднюю сторону от передней стороны при измерении световым оптическим микроскопом в направлении, ортогональном к задней стороне. Для пластины режущего инструмента это может быть выполнено путем размещения пластины режущего инструмента на плоской поверхности и наблюдения задней стороны в направлении, параллельном плоской поверхности. В зависимости от типа пластины, т.е. негативная, позитивная пластина, это направление может не быть точно ортогональным задней стороне.
В одном варианте изобретения упомянутое отверстие продолжается в переднюю сторону от задней стороны при измерении световым оптическим микроскопом в направлении, ортогональном передней стороне. Для пластины режущего инструмента это может быть выполнено путем размещения пластины режущего инструмента на плоской поверхности и наблюдения передней стороны в направлении, перпендикулярном плоской поверхности. В зависимости от типа пластины, т.е. негативная, позитивная пластина, стружколомы и т.п., это направление может не быть точно ортогональным передней стороне.
В одном варианте изобретения упомянутое отверстие продолжается в переднюю сторону, в другом варианте частично в главную фаску передней стороны, предпочтительно на, по меньшей мере, δ=50 мкм в переднюю сторону, более предпочтительно на, по меньшей мере, δ=100 мкм в переднюю сторону, наиболее предпочтительно на, по меньшей мере, δ=150 мкм в переднюю сторону. Это может быть преимуществом, когда кромка наружного слоя смещена от режущей кромки и в главную фаску. Перемещение кромки наружного слоя далее, чем главная фаска, не является предпочтительным, поскольку в области поверхности, подвергаемой износу в виде лунки, требуется толстый двойной слой слоистой структуры. Положение области, подвергаемой износу в виде лунки, как правило, зависит от геометрии пластины, размера пластины и параметров резания.
В одном варианте изобретения отверстие предпочтительно не следует продолжать более чем на δ=400 мкм в переднюю сторону, более предпочтительно не более чем на δ=300 мкм в переднюю сторону, наиболее предпочтительно не более чем на δ=250 мкм в переднюю сторону.
В одном варианте изобретения промежуточный слой открывается через отверстие в наружном слое оксида алюминия.
В одном варианте изобретения внутренний слой оксида алюминия открывается, по меньшей мере, на всю ширину режущей кромки. В одном варианте внутренний слой оксида алюминия открывается также на передней стороне, предпочтительно на, по меньшей мере, δ=50 мкм в переднюю сторону, более предпочтительно на, по меньшей мере, δ=100 мкм в переднюю сторону, наиболее предпочтительно на, по меньшей мере, δ=150 мкм в переднюю сторону. В одном варианте внутренний слой оксида алюминия открывается по задней стороне предпочтительно на, по меньшей мере, δ= Н+Т+2 мм. Одно преимущество удаления промежуточного слоя состоит в том, что материал заготовки может с ним сцепляться.
Отверстие предпочтительно выполняется путем использования лазера для отрыва участка наружного слоя, как более подробно будет объяснено в последующем. При наличии наружного слоя, прозрачного для лазерного луча, и промежуточного слоя, который имеет более высокий коэффициент поглощения света, предпочтительно имеющий более высокий коэффициент поглощения лазерного света, чем наружный слой, световое излучение через наружный слой может быть поглощено промежуточным слоем, в котором посредством этого генерируется тепло, в результате чего удаляется участок наружного слоя. Эта ситуация типична для наносекундного режима импульсной лазерной абляции. В качестве альтернативы промежуточный слой испаряется прямо по существу без образования тепла посредством лазерного луча, в результате чего наружный слой отделяется, например, если используется пикосекундный импульсный лазерный источник.
2
3
В одном варианте изобретения внутренний слой является внутренним слоем оксида алюминия и наружный слой является наружным слоем оксида алюминия, предпочтительно один или оба слоя оксида алюминия выполнены из δ-AlO, предпочтительно нанесенным путем PVD или CVD, более предпочтительно CVD.
В одном варианте слои оксида алюминия имеют толщину 2-10 мкм. Толщина внутреннего слоя оксида алюминия может быть отличной от толщины наружного слоя оксида алюминия.
В одном варианте внутренний слой оксида алюминия тоньше, чем наружный слой оксида алюминия.
В одном варианте внутренний слой оксида алюминия составляет 1-10 мкм, предпочтительно 2-5 мкм, а наружный слой оксида алюминия составляет 2-20 мкм, предпочтительно 4-10 мкм.
2
3
2
3
2
3
Хотя слой AlO выше описан как двойной слой, следует понимать, что в альтернативном варианте изобретения слой AlO может включать один или более элементов, таких как, например, Zr, для образования соединения, состоящего из трех или более компонентов, такого как (Al,Zr)O. Слой AlO может также состоять из двух или более фаз различного состава и микроструктуры.
В одном варианте изобретения первый слой состоит из одного или более слоев на базе Ti, выбранных из карбида титана, нитрида титана, карбонитрида титана, оксикарбида титана и оксикарбонитрида титана, ниже упоминаемый как Ti(C,N,O) слой и имеющий толщину 2-15 мкм. Слой Ti(C,N,O) или индивидуальные слои соответственно могут в дополнение к Ti включать один или более элементов, выбранных из Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W и Al.
В одном варианте изобретения промежуточный слой выполнен в виде 0,1-3,5 мкм слоя на базе Ti, такого как один или более слоев, выполненных из карбида титана, нитрида титана, карбонитрида титана, оксикарбида титана и оксикарбонитрида титана, предпочтительно в виде 0,5-3,5 мкм слоя (Al,Ti)(C,O,N), более предпочтительно 0,6-1 мкм (Al,Ti)(C,O), 0,8-1,2 мкм TiN, 0,5-0,9 мкм Ti(C,O).
Покрытие может дополнительно включать наружный цветной слой, служащий в качестве указателя износа, например слой TiN.
Удаление наружного слоя, такого как слой оксида алюминия, на или по режущей кромке, и, при необходимости, на или по задней стороне, и, при необходимости, на передней стороне вблизи кромки уменьшает общую толщину оксида алюминия там, где толстый слой оксида алюминия является недостатком, с обеспечением толстого двойного слоя, образованного внутренним слоем и наружным слоем в области поверхности, где это обеспечивает преимущество, например в области износа в виде лунки.
2
3
2
3
Одно преимущество промежуточного слоя, имеющего цвет с большим контрастом к внутреннему слою и наружному слою, состоит в том, что промежуточный слой может служить в качестве маркера износа на задней стороны. В качестве примера, покрытие со слоистой структурой, включающее наружный слой AlO/(Al,Ti)(C,O)/AlO и отверстие, продолжающееся в заднюю сторону на расстояние, превышающее расстояние, на которое распространяется нормальный износ по задней поверхности, будет после удаления наружного слоя оксида алюминия в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения являться маркером износа без осаждения наружного слоя TiN или ему подобного.
Способ изготовления режущего инструмента с покрытием, содержащего подложку с передней стороной, задней стороной и режущей кромкой на пересечении передней стороны и задней стороны, и покрытие, включающее первый слой и второй слой, осажденный на первый слой, в соответствии с одним вариантом изобретения включает этапы:
- осаждения первого слоя на области поверхности, продолжающейся на каждой из передней стороны, задней стороны и режущей кромке,
- осаждения второго слоя, включающего слоистую структуру, состоящую из внутреннего слоя, промежуточного слоя и наружного слоя, на области поверхности, покрытой первым слоем,
- избирательного удаления наружного слоя посредством снятия, причем слоистая структура подвергается воздействию лазерного излучения для облучения промежуточного слоя через наружный слой и поглощения промежуточным слоем, открытия тем самым внутреннего слоя или промежуточного слоя через отверстие в наружном слое, причем упомянутое отверстие продолжается на, по меньшей мере, участке ширины режущей кромки и вдоль, по меньшей мере, участка режущей кромки в ортогональном направлении.
В одном варианте изобретения способ дополнительно включает струйную обработку режущего инструмента с покрытием после этапа удаления наружного слоя. Одно преимущество такой струйной обработки состоит в возможности влияния на напряженное состояние и/или шероховатость стороны внутреннего слоя, в качестве примера могут быть уменьшены растягивающие напряжения во внутреннем слое на кромке или могут быть созданы сжимающие напряжения.
В одном варианте изобретения струйная обработка удаляет открытый промежуточный слой, по меньшей мере, на кромке. Одно преимущество удаления промежуточного слоя на кромке состоит в том, что материал в заготовке может сцепляться с промежуточным слоем.
В одном варианте изобретения способ дополнительно включает струйную обработку режущего инструмента с покрытием, предшествующую этапу удаления наружного слоя.
Предпочтительно покрытие осаждается с использованием физического осаждения из парогазовой фазы (PVD) или химического осаждения из парогазовой фазы (CVD).
В одном варианте изобретения угол падения лазерного луча регулируют так, что лазерный луч по существу параллелен нормали поверхности задней стороны.
В одном варианте изобретения угол падения лазерного луча регулируют так, что лазерный луч по существу параллелен нормали поверхности передней стороны.
В одном варианте изобретения угол падения лазерного луча изменяют, в качестве примера с использованием пятиосевой позиционирующей системы.
В одном варианте изобретения угол падения лазерного луча регулируют так, что лазерный луч по существу параллелен нормали поверхности режущей пластины.
2
3
2
3
Одно преимущество использования лазера для удаления наружного слоя состоит в том, что лазерная технология обеспечивает возможность удаления на любых частях режущего инструмента с покрытием с получением любой формы образуемого отверстия. Более того, лазер легко может удалить слои δ-AlO в отличие от, например, обработки щеткой, которая может эффективно удалить только к-AlO.
Другие задачи, преимущества и новые признаки изобретения станут понятными из последующего детального описания изобретения при рассмотрении с приложенными чертежами и формулой изобретения.
Краткое описание чертежей
Варианты изобретения теперь будут описаны с отсылкой на приложенные чертежи, на которых:
на фиг.1 схематически представлен двойной слой оксида в соответствии с изобретением,
на фиг.2 схематически представлена режущая кромка режущего инструмента с удаленным наружным слоем оксида с участка передней стороны, кромки и участка задней стороны,
на фиг.3 в перспективе представлено общее изображение режущей кромки режущего инструмента в соответствии с одним вариантом изобретения, где с помощью лазерного отрыва удален наружный слой оксида на участке задней стороны,
на фиг.4 представлено поперечное сечение режущего инструмента с покрытием в соответствии с изобретением, где внутренний слой оксида открыт через отверстие,
на фиг.5 представлено поперечное сечение режущего инструмента с покрытием в соответствии с изобретением, где внутренний слой оксида и промежуточный слой открыты через отверстие,
на фиг.6 представлено поперечное сечение режущего инструмента с покрытием, где первый слой открыт через отверстие (режущий инструмент 1b), и
на фиг.7 представлено поперечное сечение режущего инструмента с покрытием в соответствии с одним вариантом изобретения, причем внутренний слой оксида открыт через отверстие (режущий инструмент 2d).
Подробное описание изобретения
Пример 1
Покрытые режущие инструменты были изготовлены в соответствии с одним вариантом изобретения. Первые, подложки CNMG120408-PM из твердого сплава с составом 7,5 вес.% Со, остальное - WC, значение Нс – 13 кА/м (использовался Foerster Koerzimat CS1.096 в соответствии с DIN IEC 60404-7) и твердостью HV3=15 GPa были изготовлены путем прессования порошка и спекания отпрессованных тел. Перед осаждением покрытия на подложках были округлены кромки до значения около 50 мкм посредством обработки струей воды с абразивом.
2
3
2
3
2
3
Рассмотрим фиг.1, покрытие, состоящее из первого слоя и второго слоя, было осаждено посредством CVD на подложках. Первый слой является Ti(C,N,O) слоем с общей толщиной 10,3 мкм, который состоит из последовательности слоев 0,4 мкм TiN, 9,1 мкм MTCVD Ti(C,N), 0,2 мкм HTCVD Ti(C,N) и 0,6 мкм Ti(C,O). Второй слой является слоистой структурой, состоящей из внутреннего слоя 4,5 мкм α-AlO, промежуточного слоя 2,5 мкм (Al, Ti)(C,O)/TiN/Ti(C,O) и наружного слоя 6,8 мкм α-AlO. Покрытие было осаждено в CVD реакторе, имеющем радиальный поток газа и использующем условия осаждения для роста MTCVD Ti(C,N) слоев и α-AlO слоя. Этап нуклеации был выполнен перед ростом MTCVD Ti(C,N) слоя. Этапы оксидирования и нуклеации были выполнены перед ростом слоя α-оксида алюминия.
2
3
После осаждения покрытые режущие инструменты были подвергнуты операции лазерной обработки и последующей операции обработки струей воды с абразивом. В качестве лазера использован АИГ лазер с диодной накачкой (Violine), развивающий мощность 10 Вт, 1064 нм, длина импульса – 6 нс (измеренного при 10 кГц) и частота повтора 20 кГц. Фокусная линза с фокусным расстоянием 254 мм была использована для получения в результате пятна размером 100 мкм. Лазерный луч был направлен в направлении, ортогональном задней стороне при вершине режущего инструмента, и область 6×2 мм была облучена в растровой развертке со строками развертки, имеющими ширину 0,1 мм, параллельными и ортогональными к режущей кромке, как схематически показано на фиг.2. Фиг.2 также схематически показывает вписанный эллипс с осью 2W и осью 2Н. Луч смещался со скоростью 400 мм/с и выполнял три прохода. При операции лазерной обработки удалялся наружный слой α-AlO и открывался промежуточный слой в отверстии, продолжающемся от задней стороны через режущую кромку на переднюю поверхность. На фиг.3 показан режущий инструмент с покрытием после лазерного отрыва.
2
3
Обработка струей воды с абразивом включает обработку сверху и сбоку, т.е. материал струи бомбардирует режущий инструмент с покрытием со стороны передней стороны и задней стороны соответственно с использованием частиц AlO 220 меш под давлением 1,4-3 бар.
Обработка струей воды с абразивом удаляла промежуточный слой в области поверхности, продолжающейся от кромки по задней стороне, см. фиг.4.
Пример 2
Покрытые режущие инструменты были изготовлены в соответствии с Примером 1 за исключением различия в операции обработки струей воды с абразивом, где была применена только обработка струей воды с абразивом сверху, см. фиг.5.
Пример 3
2
3
Режущие инструменты в соответствии с уровнем техники, содержащие CNMG120408-PM подложки с составом 7,5 вес.% Со, остальное - WC, значение Нс - 13 кА/м (использовался Foerster Koerzimat CS1.096 в соответствии с DIN IEC 60404-7) и твердостью HV3=15 GPa и покрытием с первым слоем 9 мкм Ti(C,N) и вторым слоем 4,5 мкм α-AlO и цветным слоем Ti(C,N) были изготовлены, как в Примере 2, но без операции лазерной обработки. Операцией обработки струей воды с абразивом сверху удаляли цветной слой на передней стороне.
Пример 4
Режущие инструменты были изготовлены, как в Примере 2, без удаления второго слоя оксида алюминия.
Пример 5
2
B
Пластины режущего инструмента по Примерам 2-4 были испытаны в отношении износа по задней поверхности и износа в виде лунки при точении стали для шариковых подшипников (Ovako 825B, Tibnor) с глубиной резания 2 мм, скоростью резания 240 м/мин, подачей 0,3 мм/об с использованием охлаждения. Критерием стойкости был износ в виде лунки, превышающий 0,2 мм, и износ по задней поверхности, превышающий v=0,4 мм, измеренные посредством светового оптического микроскопа на передней стороне и задней стороне соответственно. Стойкость инструмента представлена в Таблице 1.
Таблица 1
Стойкость, мин
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Лунка износа
нет данных
>30
15
>30
Износ по задней поверхности
нет данных
>30
18
>30
Пример 6
Покрытые режущие инструменты по Примерам 1-4 были испытаны при торцовом точении чугуна с шаровидными включениями в структуре SS0717, включающем операции с прерывистым резанием с охлаждением при следующих режимах:
c
скорость резания, v - 170 м/мин;
n
подача, f - 0,1 мм/об;
p
глубина резания, a - 2 мм.
Сопротивление отслаиванию оценивалось по проценту отслаивания на кромке, обнаруженному после обработки. Покрытые режущие инструменты по Примерам 1 и 4 не показывали какого-либо отслаивания совсем, тогда как режущий инструмент по Примеру 3 для отдельных пластин как не показывал отслаивания совсем, так и отслаивание от 19 до 45%. Режущий инструмент с покрытием по Примеру 2 показывал степень отслаивания от 47 до 85%.
Пример 7
Покрытые режущие инструменты в соответствии с отдельным вариантом изобретения, а также образцы для сравнения были изготовлены следующим образом. Первые, подложки CNMG120408-РМ из твердого сплава с составом 4,1 вес.% Со, остальное - WC, значением Нс 16 кА/м (измеренным с использованием Foerster Koerzimat CS1.096 в соответствии с DIN IEC 60404-7) и твердостью HV3=16 GPa были изготовлены путем прессования порошка и спекания отпрессованных тел. Перед осаждением покрытия кромки на подложках были округлены до 45 мкм, измеренных как радиус окружности (H примерно равно W и примерно равно 45 мкм), путем обработки щеткой и последующей струйной обработки зернами оксида алюминия в воде при низком давлении, чтобы удалить любую пластическую деформацию после процесса обработки щеткой. Давление при струйной обработке было 1,8 бар, зерна оксида алюминия были размером F 150 меш (FEPA 42-1:2006).
Упомянутые подложки были покрыты посредством трех различных процессов CVD для того, чтобы получить как образцы для сравнения, так и варианты изобретения, и все они описаны ниже.
2
3
Покрытие 1, состоящее из первого слоя и второго слоя, было осаждено посредством CVD на подложки. Первым слоем является Ti(C,N,O) слой с общей толщиной 11,3 мкм, который включает последовательность слоев 0,4 мкм TiN, 10,1 мкм MTCVD Ti(C,N), 0,2 мкм HTCVD Ti(C,N) и 0,6 мкм Ti(C,O). Вторым слоем является 11,0 мкм α-AlO слой.
2
3
2
3
Покрытие 2, показанное схематически на фиг.1, является покрытием, состоящим из первого слоя и второго слоя, которые были осаждены посредством CVD на подложках. Первым слоем является Ti(C,N,O) слоем с общей толщиной 11,0 мкм, который включает последовательность слоев 0,4 мкм TiN, 9,8 мкм MTCVD Ti(C,N), 0,2 мкм HTCVD Ti(C,N) и 0,6 мкм Ti(C,O). Второй слой является слоистой структурой, состоящей из внутреннего 2,9 мкм слоя α-AlO, промежуточного 1,2 мкм слоя Ti (C,O)/TiN/Ti(C,O) и наружного 6,7 мкм слоя α-AlO.
2
3
Покрытие 3, состоящее из первого слоя и второго слоя, было осаждено посредством CVD на подложки. Первым слоем является Ti(C,N,O) слой с общей толщиной 11,7 мкм, который включает последовательность слоев 0,4 мкм TiN, 10,5 мкм MTCVD Ti(C,N), 0,2 мкм HTCVD Ti(C,N) и 0,6 мкм Ti(C,O). Вторым слоем является 3,0 мкм слой α-AlO.
2
3
2
3
Эти три варианта 1, 2 и 3 покрытия были осаждены в CVD реакторе, имеющем радиальный поток газа, с использованием условий осаждения для роста MTCVD Ti(C,N) слоев и α-AlO слоя. Этап нуклеации был выполнен до роста MTCVD Ti(C,N) слоя. Этапы оксидирования и нуклеации были выполнены до роста α-AlO слоя.
После CVD осаждения покрытые режущие инструменты были подвергнуты последующим обработкам, из которых 1b и 2b были подвергнуты операции лазерной обработки на задней стороны, покрытые режущие инструменты 2с и 2d были подвергнуты первой лазерной обработке на задней стороны и второй лазерной обработке с теневой маской на передней стороне, при этом инструменты 1а, 2а и 3а не обрабатывались лазером.
2
3
2
3
Используемый лазер был АИГ лазером с диодной накачкой (Violine 3 из Laservall), развивающим мощность 10 Вт, 1064 нм, длина импульса 6 нс (измеренная при 10 кГц) и частота повтора 20 кГц. Была использована фокальная линза с фокусным расстоянием 254 мм для образования в результате пятна с размером 100 мкм. Лазерный луч был направлен в ортогональном направлении к задней стороне при вершине режущего инструмента, и была облучена область 6×2 мм в растровой развертке со строками развертки, имеющими ширину 0,1 мм, параллельными и ортогональными к режущей кромке, как схематически показано стрелками на фиг.2. Луч смещался со скоростью 750 мм/с и выполнял два прохода. С помощью операции лазерной обработки был удален наружный слой α-AlO и открыт промежуточный слой в отверстии, продолжающемся от задней стороны через режущую кромку по передней стороны. Фиг.2 также схематически показывает вписанный эллипс с осью 2W и осью 2Н и общую толщину Т покрытия. Расстояние δ, также показанное на фиг.2, определяется как расстояние δ от открытой режущей кромки до кромки остающегося наружного α-AlO слоя, как видно на передней стороне. Расстояние δ было измерено световым оптическим микроскопом в направлении, ортогональном передней стороне, когда режущий инструмент устанавливался на плоской стороне противолежащей передней стороны. Направление R является направлением, ортогональным к ширине режущей кромки. Ширина измеряется в той же плоскости и направлении, как δ.
2
3
Обработка с помощью лазерного отрыва на задней стороне удаляет наружный α-AlO слой на всей ширине кромки покрытых режущих инструментов и по передней стороне на расстоянии δ около 50 мкм для инструмента 1b и около 60 мкм для инструмента 2b.
2
3
2
3
2
3
2
3
В качестве средства контроля протяженности удаляемого наружного α-AlO слоя на передней стороне на инструментах 2c и 2d была использована твердосплавная теневая маска для определения протяженности такого удаления контролируемым образом. Теневая маска защищает лежащие ниже нее слои от открытия посредством лазера, и посредством этого наружный α-AlO слой не удаляется с области ниже теневой маски. Различные теневые маски были использованы для того, чтобы обеспечить различное расстояние δ наружного α-AlO слоя, удаляемого от кромки и по передней стороне в процессе лазерной обработки на передней стороне. Расстояние δ измеряется как расстояние от открытой режущей кромки, как видно на передней стороне, как раскрыто выше, и до кромки остающегося наружного α-AlO слоя.
Лазерная обработка для всех примеров продолжалась в направлении режущей кромки до положения снаружи глубины резания.
2
3
2
3
Четыре различных открытых расстояния δ от кромки по передней стороны были, таким образом, изготовлены: около 50 мкм, около 60 мкм, около 130 мкм и около 200 мкм. Инструменты, выполненные с покрытием 1, были подвергнуты операции лазерной обработки, удаляющей наружный α-AlO слой на передней стороне от кромки на расстояние δ около 50 мкм. Инструменты, выполненные с покрытием 2, были подвергнуты операции лазерной обработки, удаляющей наружный α-AlO слой на передней стороне от кромки на расстояния около 60 мкм, около 130 мкм и около 200 мкм соответственно. Полученное в результате среднее расстояние δ для обработанного лазером инструмента 1b, 2b, 2c и 2d показано в Таблице 2.
Таблица 2
Инструмент
1b
2b
2c
2d
Среднее расстояние δ (мкм)
50
60
130
200
2
3
В заключение была выполнена обработка струей воды с абразивом на передних поверхностях всех режущих инструментов, здесь называемая финальной обработкой струей воды с абразивом сверху. Целью этой обработки было создание сжимающих напряжений в верхних покрытиях и увеличение посредством этого прочности кромки инструментов. Дополнительная цель состояла в том, чтобы очистить кромку от остатков наружного δ-AlO слоя и удалить промежуточный слой в открытой области поверхности. Струя пульпы, состоящая из 20 об.% зерен оксида алюминия в воде, подавалась под углом 90° к передней стороне режущего инструмента. Расстояние между соплом установки подачи пульпы и стороной пластины было около 145 мм. Давление пульпы в установке было 1,8 бар для всех образцов, в то время как давление воздуха в установке было 2,1 бар для всех инструментов. Зерна оксида алюминия были F220 меш (FEPA 42-1:2006). Время струйной обработки на единицу площади было около четырех секунд. Сводная информация по покрытым режущим инструментам 1a, 1b, 2b, 2c, 2d и 3a, изготовленным в Примере 7, представлена в Таблице 3.
Поперечное сечение режущего инструмента 1b с покрытием показано на фиг.6, а соответствующее сечение режущего инструмента 2d с покрытием показано на фиг.7.
Таблица 3
Инструмент
Первый слой TiCN, мкм
Внутренний слойα-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, мкм
Наружный слойα-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, мкм
Лазерная обработка задней стороны
Лазерная обработка передней стороны с теневой маской
Финальная струйная обработка сверху
1а
11,3
-
11,0
нет
нет
да
1b
11,3
-
11,0
да
нет,δ=50 мкм
да
2а
11,0
2,9
6,7
нет
нет
да
2b
11,0
2,9
6,7
да
нет,δ=60 мкм
да
2c
11,0
2,9
6,7
да
да,δ=130 мкм
да
2d
11,0
2,9
6,7
да
да,δ=200 мкм
да
3a
11,7
-
3,0
нет
нет
да
Пример 8 - Испытание на прочность
Покрытые режущие инструменты 1a, 2a, 2b, 2c, 2d, 3a по Примеру 7 были подвергнуты испытанию на прочность.
Заготовка состояла из двух прутков углеродистой стали (Fe 360BFN), установленных параллельно друг другу с расстоянием между ними. При продольном точении этой заготовки режущий инструмент будет подвергаться двум перерывам резания на оборот. В этом испытании прочность режущего инструмента была критической за период его стойкости. Использовались следующие режимы резания:
c
скорость резания, v- 130 м/мин;
p
глубина резания, a - 1,5 мм.
Использовалась смешиваемая с водой жидкость для обработки металла.
Подача увеличивалась постепенно в процессе испытания. Начальное значение было 0,15 мм/об. После 1 минуты резания значение подачи было 0,20 мм/об и после 2 минут резания значение подачи было 0,25 мм/об, а после 3 минут резания значение подачи было 0,30 мм/об.
Использовалось оборудование для измерения сил резания. Когда случалось разрушение пластины, силы резания четко увеличивались, и станок останавливался. Было испытано 25 режущих кромок на вариант режущего инструмента. При поломке каждой из 25 режущих кромок регистрировалось текущее значение подачи. Значения сортировались от значения низшей ломающей подачи до значения высшей ломающей подачи для каждого варианта режущего инструмента. Показатели по износу показаны в Таблице 4, представляющей ломающую подачу для кромки номер 6, среднее значение для всех 25 кромок и значение для кромки номер 20.
Таблица 4
Режущий инструмент с покрытием
1a
2a
2b
2c
2d
3a
Ломающая подача(мм/об)
Ранг 6
0,21
0,19
0,21
0,21
0,23
0,28
Среднее
0,23
0,21
0,23
0,22
0,24
0,29
Ранг 20
0,25
0,22
0,25
0,24
0,25
0,30
2
3
2
3
2
3
Как может быть видно из Таблицы 4, инструмент 3а, содержащий относительно тонкий наружный α-AlO слой, показывает наилучшую работоспособность в этом испытании, а инструмент 2а, содержащий относительно толстый наружный α-AlO слой, показывает более короткое время до поломки. Обработанный лазером инструмент 2d показывает работоспособность в отношении прочности кромки между работоспособностью инструмента 3а и инструмента 2а. Таким образом, прочность линии кромки слегка лучше для обработанного лазером инструмента 2d по сравнению с инструментом 2а с относительно толстым наружным α-AlO слоем на кромке. Инструмент 2d работает слегка лучше, чем инструменты 2b и 1а, в этом испытании.
Пример 9 - Испытание на износ в виде лунки
Покрытые режущие инструменты в соответствии с Таблицей 1 в Примере 7, т.е. инструменты 1a, 1b, 2a, 2b, 2c, 2d, 3a, были испытаны при продольном точении стали для шариковых подшипников (100CrMo7-3) с использованием следующих режимов резания:
c
скорость резания, v – 240 м/мин;
подача, f - 0,3 мм/об;
р
глубина резания, а – 2 мм;
тип пластины - CNMG120408-PM.
Использовалась смешиваемая с водой жидкость для обработки металлов.
Оценивалась одна режущая кромка на режущий инструмент.
При анализе износа в виде лунки область удаленного материала на передней стороне (лунка износа) измерялась с использованием светового оптического микроскопа. Износ каждого режущего инструмента оценивался после 2 минут резания с помощью светового оптического микроскопа. Процесс резания затем продолжался с измерением после каждых 2 минут прохода. Кроме износа в виде лунки отмечались также износ по задней поверхности и нарост на кромке. Результаты показаны в Таблице 5.
Таблица 5
РежущийИнструмент с покрытием
Площадь лунки износа после 14 мин (мм<sup>2</sup>)
Площадь лунки износа после 20 мин (мм<sup>2</sup>)
Площадь лунки износа после 24 мин (мм<sup>2</sup>)
1a, 2a, 2b, 2c, 2d
0
0
0
1b
0
*
*
3a
0,02
0,26
0,43
*Инструмент 1b без α-Al<sub>2</sub>О<sub>3</sub> на линии кромки достигал предела стойкости вследствие чрезмерного износа по задней поверхности после 16 минут.
Как может быть видно из Таблицы 5, только режущий инструмент 3а показал износ в виде лунки. Режущий инструмент 1b достигал предела его стойкости вследствие чрезмерного износа по задней поверхности после 16 минут резания. Режущий инструмент 1b является единственным режущим инструментом в этом испытании, который не содержит слоя оксида алюминия в качестве наружного слоя на режущей кромке и задней стороне. Все режущие инструменты с относительно толстым слоем оксида алюминия в области лунки на передней стороне показывали хорошее сопротивление износу в виде лунки в этом испытании.
Область износа в виде лунки начиналась на расстоянии около 300 мкм от открытой режущей кромки, измеренном световым оптическим микроскопом как наиболее короткое расстояние в плоскости передней стороны.
Пример 10 - Испытание на износ по задней поверхности и износ в виде лунки
Покрытые режущие инструменты в соответствии с Таблицей 1 в Примере 7, т.е. инструменты 1a, 1b, 2a, 2b, 2c, 2d, 3a, были испытаны при продольном точении стали для шариковых подшипников (100CrMo7-3) с использованием следующих режимов резания:
c
скорость резания, v – 255 м/мин;
подача, f - 0,3 мм/об;
р
глубина резания, а – 2 мм;
тип пластины - CNMG120408-PM.
Использовалась смешиваемая с водой жидкость для обработки металлов.
Оценивалась одна режущая кромка на режущий инструмент.
При анализе износа по задней поверхности расстояние от линии кромки до низа образца износа по задней поверхности, видимого перпендикулярно к задней стороне, было измерено с использованием светового оптического микроскопа. При анализе износа в виде лунки область удаленного материала на передней стороне (лунка износа) была измерена с использованием светового оптического микроскопа. Износ каждого режущего инструмента оценивался после 4 минут резания с помощью светового оптического микроскопа. Процесс резания затем продолжался с измерением после каждых 4 минут прохода. Кроме износа в виде лунки и износа по задней поверхности отмечался также нарост на кромке. Результаты показаны в Таблице 6.
Таблица 6
Режущий инструмент с покрытием
Износ по задней поверхности на главной режущей кромке (мм)
Износ по задней поверхности на вспомогательной режущей кромке (мм)
Время достижения или превышения износа по задней поверхности 0,4 мм (мин)
1a
0,43
0,36
34
1b
0,40
0,30
12
2a
0,41
0,34
36
2b
0,43
0,48
24
2c
0,43
0,41
28
2d
0,41
0,32
28
3a
0,33*
0,28*
20*
*Режущий инструмент 3а с относительно тонким α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> по всей пластине достигал предела стойкости вследствие износа в виде лунки.
Как может быть видно из Таблицы 6, режущие инструменты 1а и 2а, т.е. инструменты с относительно наиболее толстым слоем оксида алюминия на кромке, показали наиболее высокое сопротивление износу по задней поверхности. Режущий инструмент 1b с отсутствием оксида алюминия на кромке показал наиболее низкое сопротивление износу по задней поверхности. Режущие инструменты 2b, 2c, 2d показали более высокое сопротивление износу по задней поверхности по сравнению с режущим инструментом 1b. Режущий инструмент 3а с относительно тонким слоем оксида алюминия, покрывающим весь инструмент, показал в этом испытании износ в виде лунки, и испытание было остановлено до достижения критерия 0,4 мм износа по задней поверхности. Режущий инструмент 2d показал более высокое сопротивление износу по сравнению с 2b.
Также в этом испытании область износа в виде лунки начиналась на расстоянии примерно 300 мкм от открытой режущей кромки, измеренном как наиболее короткое расстояние плоскости передней стороны.
Пример 11 - Испытание на износ по задней поверхности и износ в виде лунки
Покрытые режущие инструменты в соответствии с Таблицей 1 в Примере 7, т.е. образцы 1a, 1b, 2a, 2b, 2c, 2d, 3a, были испытаны при продольном точении стали для шариковых подшипников (100CrMo7-3) с использованием следующих режимов резания:
c
скорость резания, v – 270 м/мин;
подача, f - 0,3 мм/об;
р
глубина резания, а – 2 мм;
тип пластины - CNMG120408-PM.
Использовалась смешиваемая с водой жидкость для обработки металлов.
Оценивалась одна режущая кромка на режущий инструмент.
При анализе износа по задней поверхности расстояние от линии кромки до низа образца износа по задней поверхности, видимого перпендикулярно задней стороне, было измерено с использованием светового оптического микроскопа. При анализе износа в виде лунки область удаленного материала на передней стороне (лунка износа) была измерена с использованием светового оптического микроскопа. Износ каждого режущего инструмента оценивался после 4 минут резания с помощью светового оптического микроскопа. Процесс резания затем продолжался с измерением после каждых 4 минут прохода. Кроме износа в виде лунки и износа по задней поверхности отмечался также нарост на кромке. Результаты после 22 минут показаны в Таблице 7.
Таблица 7
Покрытий режущий инструмент после 22 минут
Износ по задней поверхности на главной режущей кромке (мм)
Износ по задней поверхности на вспомогательной режущей кромке (мм)
Износ в виде лунки (мм<sup>2</sup>)
2b
0,34
0,40
0,06
2c
0,32
0,29
0,00
2d
0,30
0,28
0,00
*Режущий инструмент 3а с тонким α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> по всей пластине достигал предела стойкости вследствие износа в виде лунки.
Как видно из Таблицы 7, сопротивление износу по задней поверхности слегка выше для режущего инструмента 2d по сравнению с режущими инструментами 2b и 2c. Причина этого может быть в том, что лазерный отрыв вблизи кромки оказывает влияние на форму и микрогеометрию режущей кромки.
Область износа в виде лунки в этом испытании начиналось на расстоянии примерно 300 мкм от открытой режущей кромки, измеренном как наиболее короткое расстояние в плоскости передней стороны.
Хотя изобретение было описано в связи с различными приведенными в качестве примера вариантами, следует понимать, что оно не ограничено этими раскрытыми вариантами, а охватывает различные модификации и эквивалентные компоновки в рамках формулы изобретения.