Покрытый оксидом алюминия режущий инструмент - RU2675190C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к режущей пластине с покрытием (т.е. сменной пластине для режущего инструмента) и к способу ее изготовления, причем режущая пластина с покрытием состоит из подложки, содержащей цементированный карбид, кермет, керамику, сталь или кубический нитрид бора, по меньшей мере частично покрытой покрытием, имеющим общую толщину максимум 60 мкм, состоящим из одного или более слоев, включая износостойкий слой α-Al₂O₃ толщиной 2-45 мкм, осажденный методом химического осаждения из газовой фазы (CVD).

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Контроль полиморфной модификации α-Al₂O₃ в промышленном масштабе был достигнут в начале 1990-х годов с промышленной продукцией, созданной на основе патента США 5137774. В патентах США 5654035, 5980988, 7442431 и 5863640 описано осаждение покрытий α-Al₂O₃ с предпочтительными волокнистыми текстурами. В патенте США 6333103 описан модифицированный способ контроля зародышеобразования и роста α-Al₂O₃ на плоскости (1 0 10). В патенте США 6869668 описан способ получения сильной текстуры (1 0 0) в α-Al₂O₃ с использованием ZrCl₄ в качестве модификатора текстуры. В обсуждаемых выше процессах уровня техники использованы температуры осаждения примерно 1000°C. В патенте США 7094447 описан метод достижения резко выраженной текстуры (0 1 2). В патентах США 7442432 и 7455900 раскрыты методы осаждения для получения резко выраженных текстур (1 0 4) и (1 1 6) соответственно. В патентах США 7993742 и 7923101 раскрыты слои корунда с текстурой (0 0 1). Сопоставлены слои корунда с текстурами (0 1 2), (1 0 4) и (0 0 1) и обнаружено, что текстура (0 0 1) является наилучшей по сравнению с другими текстурами. В вышеупомянутых раскрытиях текстуры слоев α-Al₂O₃ были определены с использованием дифракционного рентгеновского анализа и количественно определены путем расчета коэффициентов текстуры (texture coefficients, TC) с использованием формулы Харриса. В патентах США 7763346 и 7201956 был использована технология EBSD (electron backscatter diffraction, дифракция обратного рассеяния электронов) для определения текстуры (0 0 1), а эта текстура количественно определена по наклону базовой плоскости (0 0 1) относительно поверхности покрытия.

Текстурированные слои α-Al₂O₃ состоят из столбчатых зерен, и зерна α-Al₂O₃ завершаются гранями с относительно большим углом к поверхности подложки, что приводит к шероховатой морфологии поверхности.

В патенте США 7923101 описан некоторый уровень сглаживания поверхности слоя α-Al₂O₃ с текстурой (0 0 1). В заявке на патент США 2012/003452 описано, что поверхности зерен с плоским верхом были получены в слоях α-Al₂O₃, содержащих один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из Ti, Y, Zr, Cr и B. Эти слои осаждают на слой α-Al₂O₃, который, в свою очередь, осаждают на термообработанной тонкой пленке α-Al₂O₃.

В патенте США 7597511 раскрыт режущий инструмент с поверхностным покрытием, содержащий подложку из цементированного карбида или кермета на основе карбонитрида титана с твердым слоем покрытия, включающим в себя нижний слой соединения Ti с общей средней толщиной слоя 3-20 мкм и верхний слой AlZrO, образованный в двухэтапном процессе CVD, требующем ZrCl₄, причем верхний слой был описан как «преобразованный» слой AlZrO. Было показано, что «преобразованный» слой AlZrO обладает структурой с кристаллическими зернами, имеющими равноугольную форму с крупным размером частиц в плоскости, перпендикулярной направлению толщины, и удлиненную форму в направлении толщины с ровной поверхностью. Покрытие описано как демонстрирующее хорошие характеристики при резании, однако осаждение оксида Zr в дополнение к оксиду Al, как общеизвестно, повышает стоимость изготовления и предъявляет высокие требования по эксплуатационной безопасности из-за самовоспламенения свежеполированного Zr.

ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения состояла в том, чтобы предложить покрытую режущую пластину с содержащим α-Al₂O₃покрытием, демонстрирующим повышенное качество поверхности, сниженную шероховатость поверхности и улучшенные механические свойства, особенно повышенную износостойкость задней поверхности и стойкость к обкалыванию кромок, что очень важно во многих применениях при обработке металлов резанием, особенно при резании чугуна.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению предложена режущая пластина с покрытием, состоящая из подложки, содержащей цементированный карбид, кермет, керамику, сталь или кубический нитрид бора, имеющей осажденное на нее покрытие с общей толщиной максимум 60 мкм, состоящее из одного или более слоев, предпочтительно, огнеупорных слоев, включая предпочтительно внешний, износостойкий слой α-Al₂O₃ толщиной 1-45 мкм, предпочтительно, 2-45 мкм, осажденный методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), причем, при наблюдении на РЭМ-микрофотографии поперечного сечения слоя α-Al₂O₃,

слой α-Al₂O₃ содержит по меньшей мере две части - первую часть толщины и вторую часть толщины непосредственно поверх первой части толщины,

причем часть первой толщины имеет по существу столбчатую структуру зерен α-Al₂O₃, и

на переходе от первой части толщины ко второй части толщины границы зерен по меньшей мере 1 из 25 соседних зерен, предпочтительно, по меньшей мере 5 из 25 соседних зерен, более предпочтительно, по меньшей мере 15 из 25 соседних зерен α-Al₂O₃ претерпевают изменение направления на направление, которое по существу перпендикулярно границам зерен в первой части толщины, причем понятие «по существу перпендикулярно» включает в себя изменение направления, составляющее 90±45 градусов, предпочтительно, 90±30 градусов. В одном варианте воплощения изменение направления составляет от 45 до 90 градусов, предпочтительно, от 60 до 90 градусов.

В одном варианте воплощения настоящего изобретения предложена режущая пластина с покрытием, состоящая из подложки, содержащей цементированный карбид, кермет, керамику, сталь или кубический нитрид бора, имеющей осажденное на нее покрытие с общей толщиной максимум 60 мкм, содержащее один или более слоев, включая износостойкий слой α-Al₂O₃ толщиной 1-45 мкм, предпочтительно, 2-45 мкм, осажденный методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), в котором по меньшей мере 70%, предпочтительно по меньшей мере 80%, более предпочтительно по меньшей мере 90%, кристаллов α-Al₂O₃, доходящих до внешней поверхности слоя α-Al₂O₃, завершаются гранями, перпендикулярными оси, расположенной в пределах 0-35 градусов, предпочтительно в пределах 0-20 градусов, более предпочтительно в пределах 0-10 градусов от нормали к поверхности подложки, причем предпочтительно, эти грани, завершающие кристаллы α-Al₂O₃, представляют собой кристаллографические плоскости {0 0 1}. Эта ориентация граней, завершающих кристаллы α-Al₂O₃ на внешней поверхности слоя α-Al₂O₃, может быть определена методом EBSD или по РЭМ-микрофотографии поперечного сечения слоя.

Согласно настоящему изобретению также предложен способ изготовления режущей пластины с покрытием, описанной и заявленной здесь, содержащий этапы нанесения на подложку, содержащего цементированный карбид, кермет, керамику, сталь или кубический нитрид бора, покрытия с общей толщиной максимум 60 мкм, содержащего один или более слоев, включая износостойкий слой α-Al₂O₃ толщиной 1-45 мкм, предпочтительно, 2-45 мкм, осажденный методом химического газофазного осаждения (CVD) из реакционной газовой смеси, содержащей H₂, CO₂, AlCl₃, HCl и X, где X выбран из группы, состоящей из H₂S, SF₆ и SO₂, или их сочетаний, и реакционная газовая смесь дополнительно необязательно содержит добавки N₂, Ar, CO или их сочетания, причем

процесс осаждения слоя α-Al₂O₃ содержит по меньшей мере этапы

осуществления осаждения первой части толщины слоя α-Al₂O₃ при первых условиях процесса для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом вдоль первого кристаллографического направления, и

изменения условий осаждения для осуществления осаждения второй части толщины слоя α-Al₂O₃ при вторых условиях процесса, применимых для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом вдоль второго кристаллографического направления, по существу перпендикулярного упомянутому первому кристаллографическому направлению, при этом осаждение при вторых условиях осаждения завершает процесс осаждения слоя α-Al₂O₃. Первое кристаллографическое направление может быть вдоль <0 0 1>, а по существу перпендикулярное направление может быть вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <1 0 0>.

В одном варианте воплощения изобретения первое кристаллографическое направление может быть вдоль направления, перпендикулярного {0 1 2}, а по существу перпендикулярное направление - вдоль кристаллографического направления <0 0 1> или <0 1 0>.

В одном варианте воплощения изобретения первое кристаллографическое направление может быть вдоль кристаллографического направления <0 1 0>, а по существу перпендикулярное направление - вдоль кристаллографического направления <0 0 1>.

В одном варианте воплощения изобретения первое кристаллографическое направление может быть вдоль <1 1 0>, а по существу перпендикулярное направление - вдоль кристаллографического направления <0 0 1>.

В одном варианте воплощения изобретения первое кристаллографическое направление может быть вдоль направления, перпендикулярного {1 0 4}, а по существу перпендикулярное направление - вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <0 1 0>.

Было неожиданно обнаружено, что общая волокнистая текстура слоя α-Al₂O₃ по настоящему изобретению определяется первыми условиями процесса для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом кристаллов вдоль первого кристаллографического направления, например, кристаллографического направления <0 0 1>, хотя условия процесса меняются на вторые условия процесса, которые в общем применимы для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом вдоль второго кристаллографического направления, по существу перпендикулярного первому кристаллографическому направлению. Предпочтительно, если первым кристаллографическим направлением является <0 0 1>, то вторые условия процесса представляют собой такие условия, которые в целом применимы для получения роста кристаллов вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <1 0 0>, наиболее предпочтительно, вдоль кристаллографического направления <1 1 0> слоя α-Al₂O₃. Вторые условия процесса являются условиями осаждения слоя α-Al₂O₃ без какого-либо дополнительного оксида металла в качестве модификатора текстуры, такого как оксид Zr.

В первой части толщины слоя α-Al₂O₃ по настоящему изобретению зерна α-Al₂O₃ имеют по существу столбчатую структуру зерен α-Al₂O₃, а на переходе от первой части толщины ко второй части толщины границы зерен претерпевают изменение направления на направление, которое по существу перпендикулярно границам зерен в первой части толщины. Изменение направления роста границы зерна у зерен α-Al₂O₃ можно наблюдать на РЭМ-микрофотографии поперечного сечения слоя α-Al₂O₃. Согласно настоящему изобретению изменение направления границ зерен можно видеть на РЭМ-микрофотографии по меньшей мере для 1 из 25 соседних зерен, предпочтительно, для 5 из 25 соседних зерен, более предпочтительно, для 15 из 25 соседних зерен α-Al₂O₃. Следует отметить, что в смысле настоящего изобретения термин «изменение направления на направление, которое по существу перпендикулярно границам зерен в первой части толщины» включает в себя изменение направления на 90±45 градусов, предпочтительно 90±30 градусов. Также, изменение направления роста границы зерна не должно обязательно приводить к образованию острого угла между первой и второй частями толщины. Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что такое изменение направления при переходе от первой ко второй части толщины может происходить также криволинейным образом.

Было неожиданно обнаружено, что способом осаждения по настоящему изобретению может быть получена очень гладкая морфология поверхности. Резкое изменение условий роста, изменяющее предпочтительный рост и направление границ зерен, вносит вклад в образование зерен с плоским верхом и сглаживание поверхности слоя α-Al₂O₃. В поверхности слоя α-Al₂O₃ по настоящему изобретению преобладают относительно крупные плоские зерна с пониженной шероховатостью. Это можно видеть, например, на Фигурах 1b и 2b.

Однако, также было неожиданно обнаружено, что очень гладкая поверхность по настоящему изобретению получается, если рост слоя α-Al₂O₃ устанавливается преимущественно вдоль кристаллографического направления <0 0 1>. Эксперименты показали, что эффект сглаживания также может быть получен, если текстура (0 0 1) слабо выражена или если рост слоя α-Al₂O₃ на первом этапе возникает предпочтительно перпендикулярно кристаллографическим плоскостям {0 1 2} или {1 0 4} или {0 1 0}, т.е., соответственно, с волокнистой структурой (0 1 2) или (1 0 4) или (0 1 0).

Слои α-Al₂O₃ согласно уровню техники, обладающие толщиной примерно 8-10 мкм, без верхних слоев и без последующей обработки, демонстрируют шероховатость (R_a) от примерно 0,30 до 0,35 мкм или выше. В отличие от этого, слои α-Al₂O₃ согласно настоящему изобретению демонстрируют намного меньшие значения шероховатости (R_a) от примерно 0,05 до 0,2 мкм, предпочтительно, от примерно 0,05 до 0,15 мкм или менее, измеренные на слое α-Al₂O₃ без верхних слоев и без последующей обработки. Следовательно, шероховатость (R_a) полученных согласно изобретению покрытий будет по меньшей мере на 50-60% ниже, чем шероховатость полученных согласно уровню техники покрытий с сопоставимым составом и одинаковой толщиной. Более тонкие слои α-Al₂O₃ с толщиной от примерно 4 до 8 мкм, когда они получены согласно изобретению, демонстрируют даже более низкие значения шероховатости (R_a) от примерно 0,04 до примерно 0,15, предпочтительно от примерно 0,03 до примерно 0,10 мкм.

Если поверх слоя α-Al₂O₃ согласно настоящему изобретению осаждают верхний слой, шероховатость верхнего слоя также является очень «гладкой» (т.е. низкой), хотя измеренная шероховатость (R_a) верхнего слоя может быть чуть более высокой, чем шероховатость, измеренная непосредственно на слое α-Al₂O₃ в состоянии после осаждения. Однако, когда верхний слой осаждают в виде многослойной структуры из тонких подслоев, значения шероховатости могут быть почти теми же, что и значения шероховатости, измеренные непосредственно на находящемся в состоянии после осаждения слое α-Al₂O₃ согласно изобретению.

Плоская и гладкая морфология поверхности покрытия, полученного с помощью настоящего изобретения, является необходимым условием для привлекательного и технически выгодного внешнего вида покрытия. Покрытия согласно настоящему изобретению демонстрируют блестящую высококачественная поверхность инструмента с низкой шероховатостью поверхности, что в дополнение к оптическим эффектам позволяет более легко проводить обнаружение износа, чем у покрытий согласно уровню техники. Например, слои α-Al₂O₃ обычно покрывают тонким верхним слоем TiN для придания инструменту окраски от золотистой до желтой. Когда более толстые слои α-Al₂O₃ согласно уровню техники, составленные из зерен с гранями, покрыты тонким верхним слоем TiN, можно получить приглушенную, коричневато-желтую окраску. В отличие от этого, когда покрытие α-Al₂O₃ согласно настоящему изобретению покрыто тонким верхним слоем TiN, получается блестящая золотисто-желтая окраска. Этот эффект также может быть получен, когда поверх слоя α-Al₂O₃осаждаются другие разновидности верхних слоев, такие как карбиды, нитриды, карбонитриды, оксикарбонитриды или борокарбонитриды одного или более из Ti, Al, Zr, V и Hf, или их сочетаний. В настоящем изобретении также было обнаружено улучшение внешнего вида и характеристик TiN, TiC, TiCN, AlN, кубического TiAlN, кубического TiAlCN или их сочетаний, осажденных на слой α-Al₂O₃ согласно изобретению.

Однако, - и это даже более важно, - гладкая поверхность покрытия по настоящему изобретению улучшает свойства износостойкости инструмента. Слои α-Al₂O₃ по настоящему изобретению демонстрируют улучшенные механические свойства, такие как повышенную износостойкость задней поверхности и стойкость к обкалыванию кромок, которые особенно применимы при прерывистом резании сталей и чугунов. Здесь гладкая топография поверхности на режущих кромках снижает тенденцию к обкалыванию кромок, особенно в первые моменты, когда инструмент входит в материал обрабатываемой детали. Осаждение кубического TiAlN или TiAlCN в качестве материала верхнего слоя значительно повышает характеристики инструмента при операциях прерывистого резания по сравнению с уровнем техники. Качество поверхности и характеристики верхних слоев из кубических TiAlN или TiAlCN могут быть дополнительно повышены путем осаждения этих слоев в виде многослойных пакетов как таковых или вместе с другими кубическими материалами, такими как TiN, или гексагональными фазами, такими как AlN или TiAlN, образованными в результате условий осаждения или колебательных реакций, или из-за процессов самоорганизации в ходе осаждения или термообработок.

Гладкая структура поверхности слоев α-Al₂O₃ по настоящему изобретению также облегчает последующие обработки, такие как струйная обработка, с более высокими эффектами нагартовки и равномерным качеством.

Определения

Следующие определения характеризуют термины, используемые в настоящем описании и формуле изобретения для описания настоящего изобретения.

Термин «волокнистая текстура», используемый здесь и обычно используемый применительно к получаемым осаждением из газовой фазы тонким пленкам, позволяет отличить такую ориентацию выращенных зерен от случайной ориентации. В тонких пленках и покрытиях обычно различаются три типа текстур: случайная текстура, когда зерна не обладают никакой предпочтительной ориентацией; волокнистая текстура, где зерна в покрытии ориентированы так, чтобы один комплект геометрически эквивалентных кристаллографических плоскостей {h k 1} оказывается преимущественно ориентированным параллельно подложке, при наличии вращательной степени свободы зерен вокруг оси волокон, которая расположена перпендикулярно этой плоскости и, таким образом, преимущественно ориентирована перпендикулярно подложке; и эпитаксиальное выстраивание (или текстура в плоскости, «in-plane texture») на монокристаллических подложках, где внутриплоскостное выстраивание фиксирует все три оси зерна относительно подложки. Следует подчеркнуть, что все покрытия, обсуждаемые в более ранней патентной литературе, а также здесь, демонстрируют волокнистую текстуру, а поэтому термин «текстура (h k l)» означает волокнистую текстуру с плоскостями {h k 1}, преимущественно ориентированными параллельно поверхности подложки.

Термин «рост вдоль кристаллографического направления » означает, что кристаллы растут таким образом, чтобы их соответствующая кристаллографическая плоскость {h k 1} была ориентирована параллельно поверхности подложки, на которой эти кристаллы растут. Кристаллографическая плоскость кристалла задана индексами Миллера-Бравэ, h, k, i и l, выраженными в трехиндексовом обозначении, без индекса i [i=-(h+k)]. «Предпочтительный» рост вдоль кристаллографического направления означает, что рост вдоль кристаллографического направления происходит более часто, чем рост вдоль других кристаллографических направлений. Следует отметить, что терминология «рост вдоль кристаллографического направления », относящаяся к волокнистой текстуре (h k l) с предпочтительной ориентацией плоскостей {h k 1}, параллельных подложке, подходит лишь тогда, когда направление перпендикулярно плоскости {h k 1}. Это, как правило, не справедливо для тригонально-гексагональной кристаллической системы, к которой принадлежит α-Al₂O₃, однако это верно для соответствующих пар направлений и плоскостей <1 0 0> и {1 0 0}, <1 1 0> и {1 1 0}, и <0 0 1> и {0 0 1} соответственно. Предполагается, что «предпочтительный рост вдоль кристаллографического направления » является результатом более высокой скорости осаждения вдоль этого кристаллографического направления , чем вдоль других кристаллографических направлений, в ходе процесса CVD осаждения.

Таким образом, если зерна α-Al₂O₃ демонстрируют «предпочтительный рост вдоль кристаллографического направления <0 0 1>», это означает, что зерна α-Al₂O₃ растут своей кристаллографической плоскостью {0 0 1}, параллельной поверхности подложки, более часто, чем другими кристаллографическими плоскостями.

Под выражением «предпочтительный рост вдоль кристаллографического направления » понимают коэффициент текстуры TC (h k l), рассчитанный с использованием формулы Харриса на основании заданного комплекта РД-отражений, измеренных на соответствующем образце. Интенсивности РД-отражений стандартизированы с использованием JCPDF-карточки, указывающей на интенсивности РД-отражений одного и того же материала, например, α-Al₂O₃, но со случайной ориентацией, например в порошке этого материала. Коэффициент текстуры TC (h k l) > 1 для слоя кристаллического материала - это указание на то, что зерна кристаллического материала ориентированы их кристаллографической плоскостью {h k l}, параллельной поверхности подложки, чаще, чем при случайном распределении, по меньшей мере по сравнению с РД-отражениями, используемыми в формуле Харриса для определения коэффициента текстуры TC. Коэффициент текстуры TC (0 0 12) используется здесь для обозначения предпочтительного роста кристалла вдоль кристаллографического направления <0 0 1>. В кристаллографической системе α-Al₂O₃ кристаллографическая плоскость {0 0 1} параллельна кристаллографическим плоскостям {0 0 6} и {0 0 12}. Вместо TC (0 0 6) используют TC (0 0 12), поскольку отражение (0 0 6) от α-Al₂O₃ частично перекрывается отражением от TiCN, который часто наносят в качестве слоя в системе покрытия.

Используемый здесь термин «первые условия процесса» означает условия процесса CVD, пригодные для получения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом кристаллов вдоль первого кристаллографического направления, причем в одном варианте воплощения это кристаллографическое направление <0 0 1>. Первые условия процесса определяют общую волокнистую текстуру осажденного слоя α-Al₂O₃, начиная с зародышеобразования осаждаемого слоя. Используемый здесь термин «вторые условия процесса» означает условия процесса CVD, пригодные для получения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом кристаллов по существу перпендикулярно первому кристаллографическому направлению. В варианте воплощения с первым кристаллографическим направлением <0 0 1> вторые условия процесса предпочтительно пригодны для получения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <1 0 0>. Это означает, что «вторые условия процесса» - это такие условия, которые позволяют получить слой α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом кристаллов по существу перпендикулярно первому кристаллографическому направлению, если эти «вторые условия процесса» могут быть применены для всего осаждения слоя α-Al₂O₃, начиная с зародышеобразования осаждаемого слоя. «Вторые условия процесса» не изменяют общую волокнистую текстуру осажденного слоя α-Al₂O₃ при применении после «первых условий процесса», поскольку «первые условия процесса» определяют общую волокнистую текстуру, т.е. зерна все еще предпочтительно растут своей первой кристаллографической плоскостью (например, {0 0 1}), параллельной поверхности подложки, чаще, чем другими кристаллографическими плоскостями. Однако предполагается, что при «вторых условиях процесса» скорость роста вдоль первого кристаллографического направления (например, <0 0 1>) понижается, тогда как скорость роста вдоль других кристаллографических направлений, по существу перпендикулярных первому кристаллографическому направлению (например, <0 0 1>), повышается. Не привязываясь к теории, авторы изобретения полагают, что при «вторых условиях процесса» повышается скорость осаждения оксида алюминия (корунда) в процессе CVD на грани, отличные от тех, которые предпочтительны при «первых условиях процесса».

При первых условиях процесса зерна α-Al₂O₃ растут столбчатым образом с их границами зерен, растущими по существу перпендикулярно поверхности подложки, на которую зерна осаждаются. В этой связи термин «по существу перпендикулярно» предполагает и включает тот факт, что осажденные указанным образом столбчатые зерна α-Al₂O₃ обычно претерпевают расширение в поперечном сечении в направлении от поверхности подложки к поверхности слоя корунда. Предполагается, что это расширение в поперечном сечении столбчатых зерен есть результат того, что, хотя рост предпочтительно происходит вдоль первого кристаллографического направления (такого как <0 0 1>), всегда также имеет место осаждение в определенной степени на другие грани уже осажденных зерен, по существу перпендикулярные предпочтительному направлению роста, хотя и медленнее, чем осаждение в предпочтительном направлении роста.

В результате изменения с первых на вторые условия процесса, согласно настоящему изобретению, границы некоторых зерен α-Al₂O₃, уже осажденных при первых условиях процесса, изменяют свое направление с «по существу перпендикулярного» поверхности подложки на направление, «по существу перпендикулярное» нормали к поверхности подложки. Следовательно, в поперечном сечении, например, наблюдаемом с помощью РЭМ, эти зерна выглядят по существу имеющими форму буквы «T» или сходную форму, при этом ясно, что на практике изменение направления границ зерен от первой ко второй части толщины не будет обычно описываться идеальным углом в 90 градусов. Поэтому термин «по существу перпендикулярно» в смысле настоящего изобретения включает в себя изменение направления, составляющее 90±45 градусов, предпочтительно, 90±30 градусов.

Следует понимать, что из-за расширения поперечного сечения зерен при изменении условий роста или направлений границ зерен соответственно и из-за ограниченного поперечного пространства между соседними зернами корунда, только часть зерен α-Al₂O₃ претерпевают это изменение морфологии роста и вырастает до поверхности слоя α-Al₂O₃, тогда как некоторые другие зерна «зарастают» расширившейся частью зерен α-Al₂O₃, и, таким образом, эти «заросшие» зерна либо не дорастают до внешней поверхности слоя, либо их ширина в поперечном сечении уменьшается. Это можно хорошо наблюдать, например, на РЭМ-микрофотографиях поперечных сечений соответствующих слоев.

Условия процесса CVD, которые в общем пригодны для получения слоев α-Al₂O₃ с предпочтительными ориентациями роста кристаллов, как определено для первых и вторых условий процесса, общеизвестны в данной области техники и описаны в научной и патентной литературе (см., например, перечисленные выше ссылки уровня техники). В настоящем описании приводятся дополнительные примеры подходящих первых и вторых условий процесса. В этой связи следует отметить, что условия процесса CVD для получения предпочтительного роста кристалла вдоль кристаллографического направления или перпендикулярно ему могут изменяться в широком диапазоне. Поэтому объем изобретения и характеристика заявленного объекта изобретения для решения изложенной проблемы не ограничиваются конкретными технологическими параметрами процесса CVD и составами реакционного газа. Скорее в основе настоящего изобретения лежит тот неожиданно обнаруженный факт, что повышенное качество поверхности, сниженная шероховатость поверхности и улучшенные механические свойства режущих пластин с покрытием достигаются способом осаждения слоя α-Al₂O₃ по настоящему изобретению за счет последовательности первых и вторых условий процесса, определения которых даны здесь, а именно за счет изменения условий процесса для достижения изменения в росте границы зерна. Зная настоящее изобретение и лежащий в его основе замысел, специалист в данной области техники легко найдет параметры условий процесса CVD для достижения такого специфического роста кристаллов слоя α-Al₂O₃, как это определено согласно настоящему изобретению. Как указано выше, условия процесса для получения соответственно предпочтительных направлений роста или волокнистых текстур α-Al₂O₃ были известны в данной области техники и имеются в литературе. Однако, применение конкретной последовательности первых и вторых условий процесса, определения которых даны здесь, для достижения повышенного качества поверхности, сниженная шероховатость поверхности и улучшенные механические свойства оказались неожиданными, и они никогда не были описаны ранее.

Варианты воплощения изобретения

Как было описано выше, слой α-Al₂O₃ по настоящему изобретению, по меньшей мере в первой части толщины, обладает предпочтительным направлением роста зерен α-Al₂O₃ вдоль первого кристаллографического направления, полученного при первых условиях процесса, и общая волокнистая текстура слоя α-Al₂O₃ определяется этими первыми условиями процесса. Следовательно, в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения по меньшей мере 70%, предпочтительно по меньшей мере 80%, более предпочтительно по меньшей мере 90%, кристаллов α-Al₂O₃, доходящих до внешней поверхности слоя α-Al₂O₃, демонстрируют грани, заканчивающиеся кристаллографическими плоскостями, перпендикулярными оси, расположенной в пределах 0-30 градусов, предпочтительно в пределах 0-20 градусов, более предпочтительно в пределах 0-10 градусов, от нормали к поверхности подложки, измеряемых посредством EBSD. В одном варианте воплощения настоящего изобретения первым кристаллографическим направлением является <0 0 1>, а упомянутые грани завершаются кристаллографическими плоскостями {0 0 1}.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения внешняя поверхность слоя α-Al₂O₃ в состоянии после осаждения и до струйной обработки обладает следующими характеристиками шероховатости поверхности:

i) шероховатость поверхности R_a от 0,05 до 0,2 мкм, предпочтительно, от 0,05 до 0,15 мкм, когда слой α-Al₂O₃ обладает толщиной 8 мкм или более;

ii) шероховатость поверхности R_a от 0,03 до 0,2 мкм, предпочтительно, от 0,03 до 0,10 мкм, когда слой α-Al₂O₃ обладает толщиной менее 8 мкм,

при этом шероховатость поверхности измерена на слое α-Al₂O₃ в состоянии после осаждения без верхних слоев и без последующей обработки.

В одном варианте воплощения настоящего изобретения слой α-Al₂O₃ обладает предпочтительным направлением роста вдоль кристаллографического направления <0 0 1>. В другом варианте воплощения слой α-Al₂O₃ обладает предпочтительным направлением роста, перпендикулярным кристаллографической плоскости {0 1 2}. В еще одном варианте воплощения слой α-Al₂O₃ обладает предпочтительным направлением роста, перпендикулярным кристаллографической плоскости {1 0 4}. В еще одном варианте воплощения слой α-Al₂O₃ обладает предпочтительным направлением роста, перпендикулярным кристаллографической плоскости {0 1 0}.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения общая волокнистая текстура всего слоя α-Al₂O₃ характеризуется коэффициентом текстуры TC (0 0 12) > 3, причем TC (0 0 12) определяется следующим образом:

где

(h k l) - измеренная интенсивность отражения (hkl)

I₀ (h k l) - стандартная интенсивность стандартных данных порошковой дифракции согласно JCPDF-карточке № 42-1468

n - число отражений, используемое в расчете, при этом используемыми отражениями (hkl) являются: (0 1 2), (1 0 4), (1 1 0), (1 1 3), (1 1 6), (3 0 0) и (0 0 12).

Способ измерения коэффициента текстуры TC описан ниже.

Хотя слой корунда по настоящему изобретению может быть самым верхним слоем всего покрытия, является предпочтительным, по меньшей мере частично, обеспечить верхний слой покрытия поверх слоя α-Al₂O₃. Поэтому, в еще одном предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения покрытие содержит верхний слой с толщиной от 0,05 до 3 мкм, предпочтительно, от 0,2 до 2 мкм, более предпочтительно, от 0,5 до 1,5 мкм, предпочтительно, осажденный методом CVD или PVD поверх слоя α-Al₂O₃, причем верхний слой содержит один или более слоев, выбранных из группы, состоящей из TiN, TiC, TiCN, ZrN, ZrCN, HfN, HfCN, VC, TiAlN, TiAlCN, AlN или их сочетаний, или их многослойных пакетов.

Верхний слой покрытия поверх слоя α-Al₂O₃ может быть обеспечен в качестве индикатора износа и/или в качестве слоя с другими функциями. Для выявления износа покрытие должно предпочтительно завершаться окрашенным материалом покрытия, таким как TiN, TiCN, AlN или CrN, или металлами, такими как Ti, Al или Cr. Окраски, такие как синий, зеленый, фиолетовый или металлический цвет, также могут быть получены путем окисления или анодного окисления вышеупомянутых покрытий. Методы получения окрашенных покрытий путем окисления или анодного окисления известны и описаны в литературе.

Настоящее изобретение включает в себя также те варианты воплощения, где только части площадей поверхности режущей пластины, предпочтительно, передняя поверхность режущей пластины, содержат слой α-Al₂O₃ в качестве самого внешнего слоя, тогда как остальные участки поверхности покрыты верхним слоем покрытия в качестве самого внешнего слоя. Эти варианты воплощения могут быть получены удалением осажденного верхнего слоя покрытия путем струйной обработки или любым другим хорошо известным способом из тех областей, где слой α-Al₂O₃ должен быть самым внешним слоем. Преимущество этого варианта воплощения состоит в том, что для удаления самого внешнего слоя может быть использовано относительно низкое давление струйной обработки и/или мягкий материал для струйной обработки, поскольку граница раздела между самой внешней поверхностью α-Al₂O₃ и самым внешним слоем является относительно гладкой. Струйная обработка для удаления самого внешнего слоя с обычно шероховатого слоя α-Al₂O₃ может быть несколько проблематичной и требующей относительно высоких давлений струйной обработки и/или агрессивного материала для струйной обработки для того, чтобы удалить самый внешний слой также и во впадинах слоя α-Al₂O₃. Режущие инструменты с покрытием согласно этому варианту воплощения могут быть таким образом получены при высоком контроле удаления самого внешнего слоя.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения покрытие содержит один или более огнеупорных слоев на подложке и под слоем α-Al₂O₃, причем эти один или более огнеупорных слоев выбран(ы) из группы, состоящей из карбида, нитрида, карбонитрида, оксикарбонитрида и борокарбонитрида одного или более металлов, выбранных из группы, состоящей из Ti, Al, Zr, V и Hf, или их сочетаний, осажденных методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) или химического осаждения из газовой фазы при умеренных температурах (MT-CVD), и каждый огнеупорный слой обладает толщиной от 0,5 до 20 мкм, предпочтительно, от 1 до 10 мкм.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения первый огнеупорный слой, лежащий непосредственно поверх и в контакте с поверхностью подложки, выбран из группы, состоящей из карбида, нитрида, карбонитрида, оксикарбонитрида, оксинитрида и борокарбонитрида одного или более металлов, выбранных из группы, состоящей из Ti, Al, Zr, V, Hf или их сочетаний или многослойных пакетов, предпочтительно, Ti(C, N), TiN, TiC, Ti(B, C, N), HfN, Zr(C, N) или их сочетаний или их многослойных пакетов. Более предпочтительно, первый огнеупорный слой, прилегающий к поверхности подложки, состоит из или содержит Ti(C, N). Первый огнеупорный слой осаждают методом CVD или MT-CVD, и предпочтительно, первый огнеупорный слой обладает толщиной от 0,5 до 20 мкм, более предпочтительно от 1 до 10 мкм. Было обнаружено, что этот тип первого огнеупорного слоя в сочетании с типом слоя α-Al₂O₃ по изобретению обеспечивает хорошую общую износостойкость.

Особо подходящий первый огнеупорный слой содержит или состоит из оксидов, нитридов, карбонитридов или оксикарбонитридов Ti и/или Al в качестве одиночных слоев или многослойных пакетов, таких как TiN, Ti(C, N), гексагональный AlN, кубический или гексагональный TiAlN, TiAlON, TiAlCN, TiAlOCN, метастабильные или стабильные фазы Al₂O₃ или их сочетания, причем предпочтителен кубический Ti_1-xAl_xN или Ti_1-xAl_xC_yN_z с x>0,7, осажденный посредством химического осаждения из газовой фазы при низком давлении и умеренной температуре (low-pressure moderate temperature chemical vapour deposition, LP-MT-CVD). Кубический Ti_1-xAl_xN или Ti_1-xAl_xC_yN_z может быть соосажден вместе со слоями гексагонального AlN, TiAlN или TiAlCN. Слои гексагональной фазы должны быть очень тонкими по сравнению с кубическими слоями, предпочтительно менее примерно 50 нм, более предпочтительно, менее 20 нм. LP-MT-CVD-слои осаждают при температуре 600-850°C, предпочтительно, 650-750°C и при давлении в диапазоне 2-50 мбар, предпочтительно, менее 10 мбар.

Также является особо предпочтительным, чтобы первый огнеупорный слой содержал, в качестве самого нижнего слоя в непосредственном контакте с подложкой, состоящий из TiN слой, осажденный с использованием CVD или MT-CVD или LP-MT-CVD и обладающий толщиной менее 5 мкм, предпочтительно, от 0,3 до 3 мкм, более предпочтительно, от 0,5 до 2 мкм. Было обнаружено, что обеспечение этого типа самого нижнего слоя в непосредственном контакте с поверхностью подложки повышает адгезию первого огнеупорного слоя, а значит, и адгезию слоя α-Al₂O₃ по настоящему изобретению.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения огнеупорный слой, находящийся непосредственно под и в контакте со слоем α-Al₂O₃, состоит из кубического (Ti, Al)N, кубического (Ti, Al)(C, N) или из многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев кубического (Ti, Al)N или кубического (Ti, Al)(C, N) и одного или более огнеупорных слоев, состоящих из карбида, нитрида, карбонитрида, оксикарбонитрида или борокарбонитрида одного или более из Ti, Zr, V и Hf или их сочетаний.

Подложка режущей пластины по настоящему изобретению состоит из цементированного карбида, кермета, керамики, стали или кубического нитрида бора. Однако, в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения подложка состоит из цементированного карбида, предпочтительно, цементированного карбида, состоящего из 4-12 мас.% Co, необязательно 0,3-10 мас.% кубических карбидов, нитридов или карбонитридов металлов из групп IVb, Vb и VIb Периодической таблицы, предпочтительно, Ti, Nb, Ta или их сочетаний, а остальное WC. Для применений при станочной обработке стали подложка из цементированного карбида предпочтительно содержит 7,0-9,0 мас.% кубических карбидов, а для применений при станочной обработке чугуна подложка из цементированного карбида предпочтительно содержит 0,3-3,0 мас.% кубических карбидов, как определено выше.

В другом предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения подложка, состоящая из цементированного карбида, содержит обогащенную связующей фазой поверхностную зону с толщиной 5-30 мкм, предпочтительно 10-25 мкм, от поверхности подложки, причем обогащенная связующей фазой поверхностная зона обладает содержанием Co, которое в по меньшей мере 1,5 раза выше, чем в сердцевине подложки, и обладает содержанием кубических карбидов, которое составляет менее чем 0,5 от содержания кубических карбидов в сердцевине подложки. Толщина слоя α-Al₂O₃ в этом варианте воплощения предпочтительно составляет примерно 4-12 мкм, наиболее предпочтительно, 4-8 мкм.

Предпочтительно, обогащенная связующей фазой поверхностная зона подложки из цементированного карбида по существу свободна от кубических карбидов. Обеспечение обогащенной связующей фазой поверхностной зоны повышает вязкость разрушения подложки и расширяет диапазон применения режущего инструмента с покрытием. Подложки, имеющие обогащенную связующей фазой поверхностную зону, являются особо предпочтительными для режущих пластин для операций обработки металлов резанием в случае стали, тогда как режущие пластины для операций обработки металлов резанием в случае чугуна предпочтительно получают без обогащенной связующей фазой поверхностной зоны.

В одном варианте воплощения способа по настоящему изобретению осаждение слоя α-Al₂O₃ при первых условиях процесса для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления <0 0 1> можно предпочтительно осуществлять в течение периода времени от 1 до 20 часов, предпочтительнее от 2 до 12 часов, более предпочтительно от 3 до 7 часов, а осаждение слоя α-Al₂O₃ при вторых условиях процесса, применимых для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом кристаллов по существу перпендикулярно кристаллографическому направлению <0 0 1>, предпочтительно, вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <1 0 0>, можно предпочтительно осуществлять в течение периода времени от 5 мин до 3 часов, предпочтительнее от 10 мин до 2 часов, более предпочтительно от 15 мин до 1 часа.

Выраженное в пересчете на толщины слоев, осаждение слоя α-Al₂O₃ при первых условиях процесса предпочтительно осуществляют для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления <0 0 1> до толщины от примерно 2 мкм до примерно 45 мкм, предпочтительно от примерно 3 мкм до примерно 15 мкм, более предпочтительно от примерно 5 мкм до примерно 12 мкм, а осаждение слоя α-Al₂O₃ при вторых условиях процесса предпочтительно осуществляют до толщины, которая составляет примерно 5-30% от толщины слоя α-Al₂O₃, осажденного при первых условиях процесса. В компетенцию специалистов в данной области техники входит определение того, какие толщины покрытия, получаемые на различных этапах осаждения, дадут наилучшие результаты.

Осаждение слоя α-Al₂O₃ при первых условиях процесса для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом кристаллов вдоль первого кристаллографического направления (например, кристаллографического направления <0 0 1>) дает зерна α-Al₂O₃, которые завершаются гранями с относительно большим углом относительно поверхности подложки, что приводит к шероховатой морфологии поверхности, до тех пор, пока не был нанесен слой α-Al₂O₃ при вторых условиях процесса.

В предпочтительном варианте воплощения способа по настоящему изобретению первые условия процесса в реакционной камере CVD для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления <0 0 1> включают в себя

давление в диапазоне от 10 до 100 мбар, предпочтительно от 30 до 80 мбар,

температуру в диапазоне от 800°C до 1050°C, предпочтительно от 930°C до 1030°C

и концентрации реакционноспособных газов в диапазонах

от 2% до 7,5%, предпочтительно, от 3% до 5% CO₂,

от 0,5% до 5%, предпочтительно, от 1,5% до 4% HCl,

от 0,5% до 5%, предпочтительно, от 1,8% до 4% AlCl₃ и

от 0,2% до 1,1%, предпочтительно, от 0,3% до 0,6% X, а

вторые условия процесса в реакционной камере CVD, применимые для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом кристаллов по существу перпендикулярно кристаллографическому направлению <0 0 1>, предпочтительно, вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <1 0 0>, включают в себя

давление в диапазоне от 100 до 300 мбар, предпочтительно, от 150 до 250 мбар,

температуру в диапазоне от 800°C до 1050°C, предпочтительно от 930°C до 1030°C

и концентрации реакционноспособных газов в диапазонах

более 5% CO₂,

от 5% до 25%, предпочтительно, от 5% до 12% HCl,

от 0,5% до 3%, предпочтительно, от 1,0% до 1,8% AlCl₃ и

менее 0,35%, предпочтительно, менее 0,25% X.

В дополнение к контролю за давлением осаждения и потоками CO₂, AlCl₃ и X, рост зерен α-Al₂O₃ во второй части толщины с границами зерен, по существу перпендикулярными границам зерен в первой части толщины, может быть усилен за счет добавления относительно высоких количеств HCl. HCl, как известно, подавляет рост вдоль кристаллографического направления <0 0 1>. Для достижения этого эффекта количество добавляемого HCl должно составлять от примерно 5 об.% до примерно 25 об.%, предпочтительно от примерно 5 об.% до примерно 12 об.%. Используя этот диапазон потока HCl, вторыми условиями процесса, применимыми для осаждения α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом вдоль кристаллографического направления <1 0 0>, можно управлять путем осаждения слоя при давлении более 200 мбар, предпочтительно, от 250 мбар до 300 мбар, и вторые условия процесса, применимые для осаждения α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом вдоль кристаллографического направления <1 1 0>, достигаются при давлениях от 100 до 200 мбар, предпочтительно, от 150 до 200 мбар.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения способа по настоящему изобретению, в первых условиях процесса и/или во вторых условиях процесса в реакционной камере CVD для осаждения слоя α-Al₂O₃ компонент X представляет собой сочетание H₂S и SF₆. Данное сочетание H₂S и SF₆ является особо пригодным для достижения роста кристаллов вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <1 0 0> слоя α-Al₂O₃ при вторых условиях роста. В этом случае объемная доля SF₆ предпочтительно не превышает 15% от объемного количества H₂S.

Для получения роста кристаллов вдоль кристаллографического направления <0 0 1> слоя α-Al₂O₃ при первых условиях роста, X предпочтительно представляет собой либо H₂S, либо SF₆, либо их сочетание. Если H₂S используется в сочетании с SF₆, объемное количество SF₆ должно предпочтительно составлять примерно 25-50% от объемного количества H₂S для получения желаемого эффекта.

В еще одном предпочтительном варианте воплощения способа по настоящему изобретению первые условия процесса и/или вторые условия процесса в реакционной камере CVD для осаждения слоя α-Al₂O₃ содержат добавление N₂, Ar, CO или их сочетаний, при этом сумма объемных долей N₂, Ar и CO не превышает 20% от общего объемного количества H₂ в реакционной газовой смеси. При добавлении N₂, Ar и/или CO возможно модифицировать скорость роста и отклонения толщины покрытия по всему CVD-реактору. В компетенцию специалистов в данной области техники входит регулирование этих добавок к реакционноспособному газу для достижения желаемых профилей скорости роста.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Фиг. 1 показывает РЭМ-микрофотографии поперечных сечений слоев α-Al₂O₃ согласно

a) уровню техники (пример 1),

b) настоящему изобретению (пример 2);

Фиг. 2 показывает РЭМ-микрофотографии топографий поверхностей слоев α-Al₂O₃ согласно Фигуре 1 a) и 1 b), соответственно, согласно

a) уровню техники (пример 1),

b) настоящему изобретению (пример 2);

Фиг. 3 показывает РЭМ-микрофотографии поперечных сечений слоев α-Al₂O₃ согласно настоящему изобретению с многослойным верхним слоем, состоящим из чередующихся подслоев TiN и TiCN, осажденных на подложку из цементированного карбида режущей пластины, при этом a) - поперечное сечение режущей кромки, а b) - поперечное сечение передней поверхности (пример 3, покрытие 3.2).

Фиг. 4 показывает РЭМ-микрофотографию поперечного сечения слоя α-Al₂O₃ согласно уровню техники с многослойным верхним слоем, состоящим из чередующихся подслоев TiN и TiCN, осажденных на подложку из цементированного карбида режущей пластины (пример 3, покрытие 3.1).

На Фигурах 1 b), 3 a) и 3 b) в верхних частях слоев α-Al₂O₃ четко видны изменения направления границ зерен, соответствующие резким изменениям в режиме роста от осуществления осаждения при первых условиях процесса к осуществлению осаждения при вторых условиях процесса согласно настоящему изобретению.

МЕТОДЫ

Измерения рентгеновской дифракции (РД) и определение TC

Измерения рентгеновской дифракции были сделаны на дифрактометре XRD3003PTS от компании «GE Sensing and Inspection Technologies» с использованием излучения Cu K_α. Рентгеновская трубка работала при 40 кВ и 40 мА, при фокусировании в точку. На первичной стороне использовалась оптика параллельного пучка с использованием многокапиллярной коллимационной линзы с измерительным отверстием фиксированного размера, за счет чего выбиралась облученная область образца во избежание выхода рентгеновских лучей за пределы покрытой грани образца. На вторичной стороне была использована щель Соллера с отклонением 0,4° и Ni K_p-фильтр толщиной 0,25 мм. Были проведены Θ-2Θ сканирования в пределах диапазона углов 20° < 2Θ < 100° с шагом 0,25°. Измерения были сделаны на плоской грани режущего инструмента с покрытием, предпочтительно, на задней грани. Измерения проделали непосредственно на слое корунда как самом внешнем слое. Любой слой, имеющийся в покрытии выше измеряемого слоя корунда, если он есть, удаляют способом, который практически не влияет на результаты РД-измерений, например, травлением. Для расчета коэффициента текстуры TC использовали интенсивности высоты пиков. К исходным данным РД применены вычитание фона и параболическая подгонка пиков с пятью точками измерений. При этом никаких дополнительных поправок, таких как K_α2-обрезка или поправка на тонкую пленку, сделано не было.

Приготовление образцов для растровой электронной микроскопии (РЭМ)

Режущие пластины были разрезаны в поперечном сечении, закреплены в держателе, а затем обработаны следующим образом:

1. Шлифовка диском Struers Piano220 с водой в течение 6 мин;

2. Полировка алмазной суспензией 9 мкм MD-Largo Diamond в течение 3 мин;

3. Полировка алмазной суспензией 3 мкм MD-Dac Diamond в течение 3:40 мин;

4. Полировка алмазной суспензией 1 мкм MD-Nap Diamond в течение 2 мин;

5. Полировка/травление суспензией коллоидного кремнезема OP-S в течение 12 мин (средний размер зерна коллоидного кремнезема=0,04 мкм).

Перед РЭМ-исследованием образцы были подвергнуты ультразвуковой очистке.

CVD-покрытия

CVD-покрытия приготовили в реакторе с радиальным потоком типа Bernex BPX 325S, обладающем высотой 1250 мм и внешним диаметром 325 мм. Потоки газа, несущие NH₃ и хлориды металлов соответственно, подавали в реактор по отдельности таким образом, чтобы смешивание происходило непосредственно перед зоной реакции. Поток газа по загрузочным лоткам был радиальным от центральной газовой трубы.

Измерения шероховатости

Измерения шероховатости были проведены согласно стандарту ISO 4287, DIN 4768. Для измерения шероховатости был использован белый свет с конической разверткой ConScan от приборов CSM.

ПРИМЕРЫ

Подложки для испытательных режущих пластин в приведенных здесь примерах представляли собой режущие пластины из цементированного карбида, состоящие из 6,0 мас.% Co и остальное WC с обогащенной связующей фазой поверхностной зоной. Измеренная твердость по Виккерсу подложек составляла примерно 1600 HV. Были использованы следующие геометрии режущих пластин:

CNMA120412 (особенно для РЭМ и измерений шероховатости) и

WNMG080412-NM4 (для испытаний на резание).

Предварительное нанесение покрытия:

Подложки для осаждения покрытия α-Al₂O₃ согласно приведенным здесь примерам были предварительно покрыты следующими способами.

Для обеспечения хорошей адгезии покрытий к подложке во всех процедурах нанесения покрытия процесс начинали с нанесения слоя TiN толщиной 0,3 мкм на поверхность подложки методом CVD при температуре 850°C и давлении 150 мбар. Состав реакционного газа был таким: 0,8 об.% TiCl₄, 44,1 об.% N₂, 55,1 об.% H₂.

Режущие пластины, предварительно покрытые TiN, покрывали слоем Ti(C,N) толщиной 5 мкм методом MT-CVD с использованием реакционного газа состава 0,7 об.% CH₃CN, 1,9 об.% TiCl₄, 20 об.% N₂ и остальное H₂ при температуре 850-880°C.

После того, как процесс MT-CVD был завершен, температуру повышали до 1000°C и при этой температуре осаждали другой, богатый N слой TiCN методом CVD в течение 20 мин с использованием реакционного газа состава 2,5 об.% TiCl₄, 3,5 об.% CH_4, 30 об.% N₂ и остальное H₂ при давлении 400-500 мбар на MT-CVD-слой до толщины приблизительно 0,3 мкм.

Затем, поверх MT-CVD-слоя TiCN осаждали связующий слой (Ti, Al)(C, N, O) толщиной примерно 0,5-1 мкм с использованием реакционного газа состава 3 об.% TiCl₄, 0,5 об.% AlCl₃, 4,5 об.% CO, 30 об.% N₂ и остальное H₂ в течение примерно 30 мин при температуре примерно 1000°C и давлении 80 мбар. За процессом осаждения следовала продувка с использованием H₂ в течение 10 мин перед началом следующего этапа.

Перед осаждением слоя α-Al₂O₃ осуществляли этап формирования центров кристаллизации (окисления) путем обработки связующего слоя (Ti, Al)(C, N, O) газовой смесью 4 об.% CO₂, 9 об.% CO, 25 об.% N₂ и остальное H₂ в течение 2-10 мин, при температуре примерно 1000-1020°C и при давлении примерно 80-100 мбар. За этапом формирования центров кристаллизации следовала продувка с использованием Ar в течение 10 мин.

Пример 1: Слой корунда согласно уровню техники (Покрытие 1 - сравнительный пример)

Осаждение корунда на предварительно покрытые подложки, как описано выше, начинали с введения реакционной газовой смеси 2,5 об.% AlCl₃, 4.1 об.% CO₂ и остальное H₂ при температуре 1000°C и давлении 66 мбар. Компоненты реакционного газа вводили одновременно. По истечении 2 мин добавляли HCl в количестве 2,5 об.% к реакционной газовой смеси, текущей в реактор. По истечении еще 8 мин добавляли H₂S в количестве 0,33 об.% к реакционной газовой смеси, текущей в реактор.

Условия осаждения поддерживали в течение примерно 8 часов, получив слой α-Al₂O₃ толщиной примерно 8 мкм. При внешнем осмотре слой α-Al₂O₃ казался темным и блеклым. Покрытие было проанализировано путем измерения шероховатости, испытаний на резание, РЭМ и РД.

Пример 2: Слой корунда согласно настоящему изобретению (Покрытие 2)

Осаждение корунда на предварительно покрытые подложки осуществляли так, как описано выше для примера 1, за исключением того, что время осаждения слоя α-Al₂O₃ составляло 6,5 часов вместо 8 часов. По истечении 6,5 часов времени осаждения параметры процесса изменили на «вторые условия процесса», которые известны как способствующие предпочтительному росту кристаллов вдоль кристаллографического направления <1 1 0> слоя α-Al₂O₃. При «вторых условиях процесса» состав реакционной газовой смеси был таким: 1,5 об.% AlCl₃, 5,7 об.% CO₂, 7,5 об.% HCl, 0,05 об.% H₂S и остальное H₂. Температуру поддерживали на 1000°C, но давление изменили на 150 мбар. Время осаждения при «вторых условиях процесса» составляло 1,5 часа, а общая толщина полученного таким образом слоя α-Al₂O₃ составляла 8 мкм, как в примере 1. При внешнем осмотре слой α-Al₂O₃ казался темным, но блестящим. Покрытие было проанализировано путем измерения шероховатости, испытаний на резание, РЭМ и РД.

Покрытия α-Al₂O₃ из примеров 1 и 2 проанализировали методом РЭМ. Микрофотографии поперечного сечения показаны на Фиг. 1, а микрофотографии топографии поверхности показаны на Фиг. 2. Фиг. 1 a) и 2 a) демонстрируют покрытие 1 согласно примеру 1 (сравнительному примеру), а Фиг. 1 b) и 2 b) демонстрируют покрытие 2 согласно примеру 2 (изобретение). Из изображений поперечных сечений по Фиг. 1 a) и 1 b), а также из изображений топографии поверхности по Фиг. 2 a) и 2 b) можно четко видеть, что поверхность покрытия α-Al₂O₃ согласно изобретению является намного более гладкой из-за резкого изменения направлений роста границ зерен по сравнению с поверхностью покрытия α-Al₂O₃, приготовленного согласно уровню техники. Покрытие согласно примеру 1 показало столбчатую структуру зерен слоя α-Al₂O₃. Покрытие согласно примеру 2 показало первую часть толщины со столбчатыми зернами и вторую часть толщины, где на переходе от первой части толщины ко второй части толщины некоторые из границ зерен претерпевают изменение направления по отношению к направлению границ зерен в первой части толщины. В покрытии согласно примеру 1 (уровень техники) такого изменения направления не обнаружено.

Пример 3: Верхний слой 1

Процессы согласно примерам 1 и 2 повторили, но дополнительно поверх слоев α-Al₂O₃ осаждали верхний слой покрытия. Верхний слой покрытия представлял собой многослойный пакет толщиной 1,1 мкм, состоявший из 5 чередующихся подслоев TiN и TiCN, завершающихся TiCN.

Образцы обозначены как покрытие 3.1 (=пример 1 согласно уровню техники плюс верхний слой) и покрытие 3.2 (= пример 2 согласно изобретению плюс верхний слой).

Покрытия α-Al₂O₃ 3.1 и 3.2 проанализировали методом РЭМ. Микрофотографии поперечного сечения покрытия 3.2 на режущей кромке и на передней поверхности показаны соответственно на Фиг. 3 a) и 3 b). Изображения поперечных сечений по Фиг. 3 a) и 3 b) четко демонстрируют крайнюю гладкость поверхностей слоя α-Al₂O₃, а также верхнего слоя. Микрофотография поперечного сечения покрытия 3.1 согласно уровню техники, показанная на Фиг. 4, четко показывает значительно более шероховатую поверхность из-за иного фасетирования зерен α-Al₂O₃.

Пример 4: Верхний слой 2

Процессы согласно примерам 1 и 2 повторили, но дополнительно поверх слоев α-Al₂O₃ осаждали другой верхний слой покрытия, чем в примере 3. Верхний слой покрытия представлял собой слой кубического TiAlN толщиной 1,5 мкм. Реакционная газовая смесь для осаждения слоя TiAlN содержала 0,03 об.% TiCl₄, 0,37 об.% AlCl₃ и 54,4 об.% H₂ из хлоридной линии и 0,25 об.% NH₃ и 44,95 об.% H₂ из аммиачной линии. Осаждение осуществляли при температуре 700°C и давлении 10 мбар в течение 40 мин.

Образцы обозначены как покрытие 4.1 (= пример 1 согласно уровню техники плюс верхний слой) и покрытие 4.2 (= пример 2 согласно изобретению плюс верхний слой).

Пример 5: Слой корунда согласно настоящему изобретению (Покрытие 5)

Осаждение корунда на предварительно покрытые подложки осуществляли так, как описано выше для примера 2, за исключением того, что время осаждения слоя α-Al₂O₃ при первых условиях процесса составляло 4 часа, а время осаждения при вторых условиях процесса составляло 1 час. Общая толщина полученного таким образом слоя α-Al₂O₃ составляла 5 мкм.

Измерения шероховатости (R_a) были выполнены на покрытиях 1, 2 и 5, а результаты среднего из 5 измерений для каждого образца были следующими:

Пример 6: Обработка металлов резанием. Испытание 1

Покрытия 1 (уровень техники) и 2 (изобретение) испытали на предмет обкалывания кромок (отслаивания) на контактной поверхности при продольном точении чугуна без охладителя при следующих условиях:

Заготовка: цилиндрический пруток

Материал: SS0130

Тип режущей пластины: CNMA120412

Скорость резания: 380 м/мин

Подача: 0,4 мм/об

Глубина резания: 2,0 мм

Режущие пластины были осмотрены по истечении времени резания соответственно 2 минуты и 6 минуты, и результаты были следующими:

Эти результаты демонстрируют, что вязкость разрушения режущей кромки изделия по изобретению была значительно улучшена по сравнению с изделием согласно уровню техники.

Пример 7: Обработка металлов резанием. Испытание 2

Покрытия 3.1, 3.2, 4.1 и 4.2 согласно примерам 3 и 4 испытали на предмет износа задней поверхности при операции точения без охладителя при следующих условиях:

Заготовка: цилиндрический пруток

Материал: 56NiCrMoV7

Тип режущей пластины: WNMG080412-NM4

Скорость резания: 125 м/мин

Подача: 0,32 мм/об

Глубина резания: 2,5 мм

Режущие пластины были проверены на максимальный износ задней поверхности на режущей кромке [VB_max] по истечении 6 минут резания, и результаты были следующими:

Пример 8: EBSD-анализ

EBSD-анализ покрытия 2 выполнили на растровом электронном микроскопе (РЭМ) Zeiss SUPRA40VP с автоэмиссионным катодом, с использованием апертуры 60 мкм и с ускоряющим напряжением 15 кВ, работающем в режиме высокого тока, с 70°-ым углом падения пучка электронов на поверхность отполированных образцов при рабочем расстоянии примерно 12 мм. Система EBSD представляла собой EDAX (цифровую камеру), а для сбора и анализа данных были использованы пакеты прикладных программ TSL OIM Data Collection 6 и TSL OIM Analysis 6.2 соответственно.

Режущая пластина с геометрией WNMG0804012-NM4, покрытая покрытием 2, была подвергнута EBSD-измерению в состоянии после нанесения покрытия, т.е. без какой-либо полировки или другой подготовки поверхности, на плоскостной части передней поверхности. На захваченном камерой изображении выполнили биннинг 4×4 и вычитание фона. Время выдержки соответствовало 30 кадрам в секунду. Размер карты составлял 60×60 мкм, с размером шага 0,15 мкм и гексагональной сеткой измерительных точек. Индексирование рентгенограммы выполняли путем преобразования Хафа. 185031 экспериментальных точек, записанных указанных образом, были проиндексированы со средним показателем достоверности (CI) 0,27. Доля точек с CI>0,1 составляла 76,7%, доля точек с CI>0,3 составляла 44,6%. CI рассчитывался с помощью программы TSL OIM Analysis 6.2 в ходе автоматизированного индексирования рентгенограммы. Для данной рентгенограммы можно найти несколько возможных ориентаций, которые удовлетворяют полосам дифракции, выявленным подпрограммами анализа изображений. Программа сортирует эти ориентации (или решения) с использованием схемы голосования. Показатель достоверности основан на схеме голосования и задан как CI=(V₁-V₂)/V_IDEAL, где V₁ и V₂ - число голосов за первое и второе решения, а V_IDEAL - общее возможное число голосов от выявленных полос. Показатель достоверности находится в диапазоне от 0 до 1. Хотя существуют случаи, когда рентгенограмма еще может быть правильно проиндексирована даже при показателе достоверности 0, CI можно рассматривать как статистическую меру качества рентгенограммы, которая сильно зависит от шероховатости поверхности. Образцы с шероховатыми поверхностями следует отполировать до крайне низкой шероховатости, чтобы получить удовлетворительное качество рентгенограммы и индексации для EBSD. Значение CI более 0,3 соответствует точности 99% автоматизированного индексирования рентгенограмм, причем основные рентгенограммы, проиндексированные с CI>0,1, рассматриваются как корректные. Для правильного индексирования, т.е. для получения EBSD-карт со средним CI более 0,1, необходима продолжительная полировка абразивными/травильными агентами с размером зерна обычно 0,05 мкм, то есть до значений R_a намного ниже 0,05 мкм [M. M. Nowell et al., Microscopy Today 2005, 44-48].

По качеству изображения и рентгенограммы, полученному на покрытии 2 в состоянии после осаждения, можно сделать вывод о том, что большая доля, >75% площади поверхности, состоит из зерен с плоскими кристаллическими гранями, почти параллельными поверхности образца, а также поверхности подложки. Напротив, никаких EBSD-изображений достаточного качества с поверхностного покрытия 1 согласно уровню техники в состоянии после осаждения не удалось получить, поскольку в морфологии поверхности преобладают зерна с гранями, пересекающимися при более высоких углах, дающие профиль глубины межзеренных пустот порядка 1 мкм. EBSD-карта покрытия 1 была проиндексирована со средним CI лишь 0,04.

Реферат

Изобретение относится к режущей пластине с покрытием и к способу ее изготовления. Режущая пластина с покрытием, содержащим износостойкий слой α-AlO, состоит из подложки и осажденного на нее покрытия, состоящего из одного или более слоев, включающих износостойкий слой α-AlO, осажденный методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). Упомянутое покрытие имеет общую толщину максимум 60 мкм. Упомянутый износостойкий слой α-AlOимеет толщину 1-45 мкм, причем на микрофотографии, полученной растровой электронной микроскопией (РЭМ), поперечного сечения слоя α-AlOон содержит по меньшей мере две части, включающие часть с первой толщиной и часть со второй толщиной непосредственно поверх части с первой толщиной. Часть с первой толщиной имеет столбчатую структуру зерен α-AlO, а на переходе от части первой толщины к части второй толщины границы зерен по меньшей мере 1 из 25 соседних зерен α-AlOимеют измененное направление, которое перпендикулярно границам зерен в части с первой толщиной и составляет 90±45 градусов. При изготовлении режущей пластины с покрытием осаждение части с первой толщиной слоя α-AlOпроводят в реакционной камере CVD при давлении в диапазоне от 10 до 100 мбар, температуре в диапазоне от 800°С до 1050°С в течение времени от 1 до 20 ч при концентрации реакционных газов в диапазонах от 2% до 7,5% CO, от 0,5% до 5% HCl, от 0,5% до 5% AlClи от 0,2% до 1,1% X. Осаждение упомянутой части с второй толщиной слоя α-AlOосуществляют в реакционной камере CVD при давлении в диапазоне от 100 до 300 мбар, температуре в диапазоне от 800°С до 1050°С в течение времени от 5 мин до 3 ч при концентрации реакционных газов в диапазонах более 5% CO, от 5% до 25% HCl, от 0,5% до 3% AlClи менее 0,35% X, при этом X выбран из группы, состоящей из HS, SFи SOили их сочетаний. Обеспечивается режущая пластина с повышенным качеством поверхности, сниженной шероховатостью поверхности и улучшенными механическими свойствами, а именно повышенной износостойкостью задней поверхности и стойкостью к откалыванию кромок. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил., 8 пр.

Формула

,