РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ПОКРЫТИЕМ
COATED CUTTING TOOL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
2
3
2
3
Настоящее изобретение относится к режущему инструменту с покрытием, содержащему основу и покрытие, при этом покрытие содержит внутренний мультислой α-AlO и наружный монослой α-AlO.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
CVD-покрытия из оксида алюминия показали свою эффективность в применениях резания металла, и большая часть токарных пластин с покрытием, нанесенным методом CVD химического осаждения из паровой фазы, сегодня снабжается покрытием из оксида алюминия. Покрытия из оксида алюминия с годами все больше и больше оптимизировались, так как было показано, что изменения, например, размера зерен и кристаллическая ориентация кристаллов оксида алюминия в покрытии оказывают большое влияние на характеристики износа во время резания металла.
Существует постоянная потребность в поиске покрытий режущего инструмента, которые могут продлить срок службы режущего инструмента и/или которые могут выдерживать более высокие скорости резания, чем известные покрытия режущего инструмента.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одной из целей настоящего изобретения является создание режущего инструмента с покрытием с повышенной износостойкостью в применениях для резания металлов. Еще одной целью является повышение его износостойкости покрытия при точении, особенно при токарной обработке стали и закаленной стали. Дополнительной целью является создание износостойкого покрытия, обеспечивающего высокую износостойкость при образовании кратеров и задней поверхности в токарной обработке стали и закаленной стали.
По меньшей мере, одна из этих целей достигается с помощью режущего инструмента с покрытием в соответствии с п. 1.
Предпочтительные варианты осуществления перечислены в зависимых пунктах.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Настоящее раскрытие относится к режущему инструменту с покрытием, включающему в себя основу и покрытие, при этом покрытие содержит внутренний мультислой α-AlO и наружный монослой α-AlO, при этом толщина наружного монослоя α-AlOсоставляет 1-10 μм, предпочтительно 3-5 μм, и при этом толщина внутреннего мультислоя α-AlO составляет менее чем или равна 35% от суммы толщины внутреннего мультислоя α-AlO и толщины наружного монослоя α-AlO, и при этом упомянутый мультислой α-AlO состоит из чередующихся подслоев α-AlO и подслоев TiCO, TiCNO, AlTiCO или AlTiCNO, упомянутый внутренний мультислой α-AlO содержит по меньшей мере 5 подслоев α-AlO.
2
3
2
3
2
3
2
3
Неожиданно было обнаружено, что максимум производительности существует для конкретного сочетания мультислоя α-AlO и монослоя α-AlO. Такое сочетание обеспечивает повышенную износостойкость по задней стенке и при образовании кратеров. Считается, что монослой α-AlO способствует высокой исходной износостойкости при образовании кратеров и что мультислой α-AlO важен для износостойкости, когда режущая кромка начала деформироваться из-за износа и нагрева режущей кромки.
2
3
2
3
В одном варианте осуществления настоящего изобретения внутренний мультислой α-AlO смежен наружному монослою α-AlO.
2
3
2
3
В одном варианте осуществления настоящего изобретения сумма толщины внутреннего мультислоя α-AlO и наружного монослоя α-AlO, составляет 2-16 μм, предпочтительно 3-8 μм, наиболее предпочтительно 4-6 μм.
2
3
2
3
В одном варианте осуществления настоящего изобретения период во внутреннем мультислое α-AlO составляет 50-900 нм, предпочтительно 70-300 нм, более предпочтительно 70-150 нм, при этом один период включает в себя один подслой α-AlO и один подслой TiCO, TiCNO, AlTiCO или AlTiCNO.
2
3
2
3
2
3
В одном варианте осуществления настоящего изобретения толщина внутреннего мультислоя α-AlO составляет от 12% до 35%, предпочтительно от 15% до 30%, наиболее предпочтительно от 18% до 25% от суммы толщины внутреннего мультислоя α-AlO и толщины наружного монослоя α-AlO.
2
3
2
3
В одном варианте осуществления настоящего изобретения внутренний мультислой α-AlO в сочетании с наружным монослоем α-AlO имеет рентгеновскую дифракцию при развертке θ-2θ в 20°-140°, при этом интенсивность дифракционного пика 0012 (площадь пика) I(0012) к интенсивностям дифракционного пика 113 (площади пика) I(113), дифракционного пика 116 (площади пика) I(116) и дифракционного пика 024 (площади пика) I(024) составляет I (0012)/I(113)>1, I(0012)/I(116)>1 и I(0012)/I(024)>1.
2
3
2
3
В одном варианте осуществления настоящего изобретения внутренний мультислой α-AlO в сочетании с наружным монослоем α-AlO имеет рентгеновскую дифракцию при развертке θ-2θ в 20°-140°, при этом интенсивность дифракционного пика 0012 (площадь пика) I(0012) к интенсивностям дифракционного пика 113 (площади пика) I(113), дифракционного пика 116 (площади пика) I(116) и дифракционного пика 024 (площади пика) I(024) составляет I(0012)/I(113)>1, предпочтительно >5, наиболее предпочтительно >8, I(0012)/I(116)>1, предпочтительно >3, наиболее предпочтительно >5 и I(0012)/I(024)>1, предпочтительно >2.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения интенсивность дифракционного пика 0114 (площадь пика) I(0114) к интенсивности дифракционного пика 0012 (площади пика) I(0012) составляет I(0114)/I(0012)<2, предпочтительно <1.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения соотношение между интенсивностью дифракционного пика 110 (площадью пика) I(110) и интенсивностями дифракционного пика 113 (площадью пика) I(113) и интенсивностью дифракционного пика 024 (площадью пика) I(024) составляет I(110)> каждой из I(113) и I(024).
В одном варианте осуществления настоящего изобретения соотношение между интенсивностью дифракционного пика 0012 (площадью пика) I(0012) и интенсивностью дифракционного пика 110 (площадью пика) I(110) составляет I(0012)>I(110).
2
3
В одном варианте осуществления настоящего изобретения режущий инструмент с покрытием содержит по меньшей мере один слой из TiC, TiN, TiAIN или TiCN, распложенный между основой и внутренним мультислоем α-AlO, предпочтительно TiCN.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения толщина слоя TiC, TiN, TiAIN или TiCN составляет 2-15 μм. предпочтительно 4-10 μм
В одном варианте осуществления настоящего изобретения режущий инструмент с покрытием содержит слой TiCN, который имеет дифракционную рентгенограмму, измеренную с использованием излучения CuKα и развертки θ-2θ, где TC(hkl) определяется согласно формуле Харриса (Harris):
0
где I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность (интегрированную площадь) отражения (hkl), I(hkl) представляет собой стандартную интенсивность согласно стандартной порошковой дифрактографии в соответствии с PDF-картой JCPDS (Объединенного комитета порошковых дифракционных стандартов) №42-1489; n представляет собой число отражений, использованными отражениями в расчете являются (111), (200), (220), (311), (331), (420), (422) и (511), при этом ТС(331)+ТС(422)>5, предпочтительно >6.
2
3
В одном варианте осуществления настоящего изобретения наружный слой покрытия представляет собой наружный монослой α-AlO.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения основа представляет собой цементированный карбид, металлокерамику, керамику, быстрорежущую сталь или cBN.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения основа представляет собой цементированный карбид, содержащий 3-14 мас. % Со и более чем 50 мас. % WC.
Описанные в настоящем документе режущие инструменты с покрытием могут быть подвергнуты последующим обработкам, таким как дробеструйная обработка, чистка щеткой или дробеструйному упрочнению в любом сочетании. Последующая дробеструйная обработка может быть жидкостно-абразивной обработкой или сухой абразивной обработкой, например, с использованием оксидноалюминиевых частиц.
Еще другие цели и признаки настоящего изобретения будут очевидны из следующих определений и примеров, рассмотренных в сочетании с прилагающимися чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах:
фигура 1 имеет изображение поперечного сечения обладающего признаками изобретения покрытия образца MS14 из примера от сканирующего электронного микроскопа (SEM, Scanning Electron Microscope).
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В настоящем документе термин "режущий инструмент" предназначен для обозначения режущих инструментов, пригодных для применений в резании металла, таких как пластины, концевые фрезы или сверла. Областями применения могут быть, например, токарная обработка, фрезерование или сверление в таких металлах, как сталь.
МЕТОДЫ
Рентгеновский анализ
Для исследования текстуры или ориентации слоя(слоев) осуществляли рентгеновскую дифракцию (XRD, X-ray diffraction) на задней поверхности с использованием дифрактометра PANalytical CubiX3, оснащенного детектором PIXcel. Режущие инструменты с покрытием устанавливали в держателях образцов для обеспечения того, чтобы задняя поверхность образцов была параллельна эталонной поверхности держателя образцов, а также чтобы задняя поверхность находилась на соответствующей высоте. Для измерений использовали излучение Cu-Kα с напряжением 45 кВ и током 40 мА. Использовали антирассеивающую щель с показателем  и щель расхождения с показателем . Дифрагированную интенсивность от режущего инструмента с покрытием измеряли в диапазоне 20 от 20° до 140°, то есть в диапазоне угла падения 0 от 10 до 70°. Анализ данных, включая фоновую подгонку, стриппинг Cu-Kα2 и профильную подгонку данных, проводили с использованием программного обеспечения PANalytical's X'Expert HighScore Plus. Выходные данные (интегрированные площади пиков для кривой подгонки профиля) из этой программы затем использовали для определения покрытия из настоящего изобретения в терминах отношения интенсивностей и/или соотношений.
2
3
2
3
Обычно, так называемая тонкопленочная коррекция применяется к данным интегрированной площади пика для компенсации различий в интенсивностях из-за поглощения и различных длин пути в слоях, но поскольку подслой TiCO, TiCNO, AlTiCO или AlTiCNO из настоящего изобретения является тонким и содержит выступы, толщина этого слоя не является тривиальной для установки и длина пути через этот слой является сложной. Поэтому, ориентацию мультислоя α-AlO в сочетании с монослоем α-AlO устанавливают на основе данных без тонкопленочной коррекции, применяемой к выделенным интенсивностям интегральных площадей пика для кривой подогнанного профиля. Однако стриппинг Cu-Ka2 применяется к данным до того, как будут рассчитаны площади интенсивности.
2
3
2
3
2
3
Поскольку возможные дополнительные слои над наружным монослоем α-AlO будут влиять на интенсивности рентгеновского излучения, входящего в монослой α-AlO и выходящего из всего покрытия, для них необходимо внести поправки, учитывающие линейный коэффициент поглощения для соответствующего соединения в слое. Альтернативно, дополнительный слой над монослоем α-AlO может быть удален методом, который существенно не влияет на результаты рентгенодифракционного измерения, например, химическим травлением.
2
3
Следует отметить, что перекрытие пиков представляет собой явление, которое может иметь место при рентгенодифракционном анализе покрытий, содержащих, например, несколько кристаллических слоев и/или осажденных на основу, содержащую кристаллические фазы, и это должно быть учтено и компенсировано специалистом в этой области. Пиковое перекрытие пиков из слоя α-AlO с пиками из слоя TiCN может повлиять на измерение и должно быть рассмотрено. Следует также отметить, что, например, WC в основе может иметь дифракционные пики, близкие к соответствующим пикам из настоящего изобретения.
ПРИМЕРЫ
Примеры вариантов осуществления настоящего изобретения теперь будут раскрыты более подробно и сравнены со сравнительными вариантами осуществления. Режущие инструменты с покрытием (пластины) изготавливали, анализировали и оценивали в испытаниях на резание.
Обзор образцов
Основы из цементированного карбида изготавливали с использованием обычных процессов, включая измельчение, смешивание, распылительную сушку, прессование и спекание. Спеченные основы были снабжены CVD-покрытием в радиальном CVD-реакторе типа Ionbond размером 530, способном вместить 10000 режущих пластин размером полдюйма. Геометрия ISO-типа подложек (пластин) из цементированного карбида была как у CNMG-120408-PM. Состав цементированного карбида включал 7,2 мас. % Со, 2,9 мас. % ТаС, 0,5 мас. % NbC, 1,9 мас. % TiC, 0,4 мас. % TiN и остальное - WC. Обзор образцов приведен в Таблице 1.
CVD осаждение
2
2
4
Первое внутреннее покрытие из TiN размером примерно 0,4 μм наносили на все основы в процессе при 400 мбар и 885°С. Использовали газовую смесь из 48,8 об. % Н, 48,8 об. % N и 2,4 об. % TiCl.
После этого TiCN толщиной примерно 6,5 μм осаждали в два этапа: внутренний TiCN и наружный TiCN.
4
3
2
2
Внутренний TiCN осаждали в течение 10 минут при 55 мбар при 885°С в газовой смеси из 3,0 об. % TiCl, 0,45 об. % CHCN, 37,6 об. % N и остальное - Н.
2
4
3
2
Наружный TiCN осаждали при 55 мбар при 885°С в газовой смеси 7,8 об. % N, 7,8 об. % HCl, 2,4 об. % TiCl, 0,65 об. % CHCN и остальное - Н.
Поверх слоя MTCVD-TiCN наносили скрепляющий слой толщиной 1-1,5 μм при 1000°С с помощью процесса, состоящего из четырех отдельных реакционных стадий.
4
4
2
2
Сначала HTCVD-TiCN осаждали при 400 мбар с использованием газовой смеси из 1,5 об. % TiCl, 3,4 об. % СН, 1,7% HCl, 25,5 об. % N и 67, 9 об. % Н.
4
3
2
2
4
3
2
2
4
2
2
Все три следующих стадии осаждали при 70 мбар. В первой (TiCNO-1) использовали газовую смесь из 1,5 об. % TiCl, 0,40 об. % CHCN, 1,2 об. % СО, 1,2 об. % НС1, 12,0 об. % N и остальное Н. На следующей стадии (TiCNO-2) использовали газовую смесь из 3,1 об. % TiCl, 0,63 об. % CHCN, 4,6 об. % СО, 30,6 об. % N и остальное - Н. На последней стадии для связующего слоя (TiN) использовали газовую смесь из 3,2 об. % TiCl, 32,3 об. % N и 64,5 об. % Н.
2
3
3
2
2
3
2
2
2
2
3
Во всех образцах поверх скрепляющего слоя осаждали слой α-AlO при 1000°С и 60 мбар в две стадии. Первая стадия содержала газовую смесь из 1,2 об. % AlC1, 4,7 об. % CO, 1,8% HCl и остальное Н, и вторая стадия содержала газовую смесь 1,2 об. % AlC1, 4,7 об. % CO, 2,9 об. % HCl, 0,58% HS и остальное - Н. В так называемых MS-образцах (образцах с мульти(слоем) + моно(слой)) и М-образцах (образцах с мульти(слоем)) этот слой был выращен приблизительно до 0,1 μм. В образце S (образце с моно(слоем)) этот слой представляет собой монослой α-AlO.
2
3
2
3
4
3
2
2
3
2
3
На MS-образцы и М-образцы наносили мультислой α-AlO, при этом скрепляющий подслой TiCO чередовали с подслоем α-AlO. Для всех примеров подслой TiCO осаждали в течение 75 секунд. Его осаждали при 1000°С и 60 мбар в газовой смеси из 1,7 об. % TiCl, 3,5 об. % СО, 4,3 об. % AlCl и 90,5 об. % Н. Подслой α-AlO осаждали в две стадии с использованием тех же технологических параметров, что и для нижнего слоя α-AlO. Первую стадию выполняли в течение 2,5 минут, и время обработки на второй стадии составляло примерно 3 минуты.
2
3
2
3
2
3
Один период равен сумме толщины одного скрепляющего подслоя TiCO и толщины одного подслоя α-AlO. Измерение периода в мультислоях α-AlO образцов производили путем деления общей толщины мультислоя α-AlO на число периодов в слое.
Толщины слоев образцов были исследованы в светооптическом микроскопе и приведены в таблице 2.
Результаты рентгенодифракционного анализа
2
3
Рентгенодифракционные анализы проводили в соответствии с тем, как раскрыто выше в разделе "метод". К данным по интенсивности не применяли тонкопленочной коррекции. Интенсивности пиков 110, 113, 024, 116, 0012 и 0114, происходящих из α-AlO, для образцов представлены в таблице 3 со значениями, нормализованными таким образом, что интенсивность 0012 была установлена как 100%.
Как можно видеть в таблице 3, все образцы показывают очень высокую интенсивность пика 0012.
2
3
2
3
Слой TiCN, расположенный между основой и α-AlO-слоями образцов, исследовали методом рентгеновской дифракции. Поскольку во всех образцах использовали одни и те же параметры осаждения CVD, ниже представлены только значения ТС от образца S5. После тонкопленочной коррекции и коррекции для поглощения в монослое α-AlO из данных были рассчитаны значения ТС по формуле Харриса. Значения ТС приведены в таблице 4.
Формула Харриса:
0
где I(hkl) представляет собой измеренную интенсивность (интегрированную площадь) отражения (hkl), I(hkl) представляет собой стандартную интенсивность согласно стандартной порошковой дифрактографии в соответствии с PDF-картой JCPDS №42-1489; n представляет собой число отражений, использованными отражениями в расчете являются (111), (200), (220), (311), (331), (420), (422) и (511).
2
3
Рентгенодифракционный сигнал от подслоев TiCO и сигналы от слоя TiCN трудно разделить в анализе слоев, так как и TiCO, и TiCN являются кубическими с одинаковыми параметрами ячеек. Для анализа слоя TiCN мультислой α-AlO должны быть сначала удалены механическими или химическими способами, такими как травление или полировка. После этого слой TiCN может быть проанализирован.
Испытания на резание
Образцы оценивали в двух различных испытаниях на резание металла. Перед испытаниями на резание производили дробеструйную обработку на задних поверхностях режущих инструментов с покрытием Использованная дробеструйная суспензия состояла из 2 0 об. % глинозема в воде и угла в 90° между задней поверхностью режущей пластины и направлением дробеструйной суспензии. Давление суспензии на пистолет составляло 2,2 бар для всех испытанных на износ образцов.
PD выемка при износе в виде кратера
Были испытаны образцы в испытании на резание при сухой токарной обработке для заготовки из материала SS2541 (стержень 700×180 мм). Торцевое точение применяли на указанном стержне диаметром от 17 8 мм до диаметра 60 мм. Были использованы следующие параметры резания:
Критерий остановки определяли как при износе по задней стенке (Vb)≥0,4 мм или при разломе кромки. Каждую кромку пластины проверяли после каждых 5 резаний или каждых 3 резаний и измеряли износ по задней поверхности основной кромки. Число резаний при Vb=0,4 мм (проинтерполированное значение) приведено для 4 параллельных испытаний 1-4 в таблице 5.
Были пров6едены различные испытания, каждое при одном отборе проб, и, как можно видеть, срок службы для одного и того же образца варьируется между испытаниями. Это может быть связано с различиями в материале заготовки. Исследовали тенденцию в рамках одного и того же испытания. Был сделан вывод, что образцы MS14 являлись образцами, которые действительно показали наибольшее число резаний до достижения Vb более чем 0,4 мм в каждом испытании.
Износ в виде кратера
Режущие инструменты с покрытием, струйно-абразивно обработанные в соответствии с вышеизложенным, испытывали при продольном точении в шарикоподшипниковой стали Ovako825B (100CrMo7-3) с использованием следующих параметров резания;
Использовали смешанную с водой смазочно-охлаждающую жидкость.
Оценивали одну режущую кромку на режущий инструмент.
При анализе износа в виде кратера площадь подвергающейся воздействию основы измеряли с использованием светового оптического микроскопа.
В испытании 1 резание проводили с общим временем резания в 30 минут и площадь подвергнутой воздействию основы представлена в таблице б.
В испытании 2 срок службы инструмента считали достигнутым, когда площадь поверхности подвергнутой воздействию основы превышала 0,2. Износ каждого режущего инструмента оценивали в светооптическом микроскопе после 10 минут резания. Затем процесс резания продолжали с измерением через 6 минут, а затем после каждого 2-минутного прогона. Помимо износа в виде кратера, наблюдали также износ по задней поверхности, но в этом испытании он не влиял на срок службы инструмента. Результаты приведены в таблице 6.
Из испытания 1 сделали вывод, что образцы S5 и MS14 показали более высокую стойкость к износу в виде кратера по сравнению с образцами MS23 и М5. Из испытания 2 сделали вывод, что обладающий признаками изобретения образец MS14 показал наилучшую стойкость к износу в виде кратера.
Хотя изобретение было описано в связи с различными примерами вариантов осуществления, следует понимать, что изобретение не должно ограничиваться раскрытыми примерами вариантов осуществления, напротив, оно охватывает различные модификации и эквивалентные приспособления в рамках прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, следует признать, что любая раскрытая форма или вариант осуществления изобретения могут быть включены в любую другую раскрытую или описанную, или предложенную форму или вариант осуществления в качестве общего вопроса выбора проектного решения. Таким образом, предполагается, что изобретение будет ограничиваться только объемом формулы изобретения, прилагаемой к настоящему документу.