Покрытое изделие с нанослойной системой покрытия - RU2487781C2

Чертежи

Описание

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится к изделию с покрытием, а также к способу нанесения системы покрытия. Более конкретно данное изобретение относится к покрытому изделию, где система покрытия включает нанослои, содержащие алюминий, хром, титан и азот, а также к способу нанесения системы покрытия. Типовые покрытые изделия включают без ограничения режущие пластины и изнашиваемые компоненты.

Что касается покрытой режущей пластины как одного примера покрытого изделия, покрытая режущая пластина обычно содержит основу с системой покрытия на ней. Геометрия режущей пластины такова, что она типично имеет наклонные поверхности и боковые поверхности, где имеются режущие кромки на пересечении (или соединении) наклонных поверхностей и боковых поверхностей. Для покрытых режущих пластин в основном систему покрытия на основу можно нанести с помощью любой из ряда различных технологий. Данные технологии включают химическое осаждение из паровой среды (CVD) и физическое осаждение из паров (PVD).

Покрытые режущие пластины пригодны для удаления материала в операции по снятию материала со стружкообразованием. Операции по снятию материала со стружкообразованием включают, не ограничиваясь указанным, помол, точение, бурение, сверление и подобные работы, где режущая пластина сцепляется с обрабатываемым изделием, при этом режущая пластина и обрабатываемое изделие двигаются относительно друг друга. В точке (или поверхности) сцепления обрабатываемого изделия и режущей пластины (то есть, граница раздела режущая пластина-стружка) может быть большое количество тепла. Перенос тепла на границе раздела режущая пластина-стружка на основу и границу раздела между системой покрытия и основой (то есть, граница раздела покрытие-основа) неблагоприятно влияет на производительность режущей пластины. А именно, перенос тепла на основу и границу раздела покрытие-основа создает преждевременный избыточный износ покрытия. Такой избыточный износ системы покрытия обычно сокращает срок службы покрытой режущей пластины.

Система покрытия обычно влияет на степень переноса тепла с границы раздела режущая пластина-стружка на основу и границу раздела покрытие-основа. Теплопроводность системы покрытия представляет собой свойство, которое может сильно влиять на степень такого переноса тепла. Система покрытия, которая демонстрирует общую более низкую теплопроводность, обычно уменьшает количество тепла в основе и на границе раздела покрытие-основа. Такое уменьшение в переносе тепла обычно приводит к более длительному сроку службы инструмента для режущей пластины по сравнению с покрытой режущей пластиной, у которой не проявляется уменьшение переноса тепла.

В прошлом для покрытых режущих пластин были реализованы различные системы покрытия. Например, публикация заявки на патент США № US 2006/0269788 A1 (Ishikawa), по всей видимости, раскрывает чередующиеся слои AlCrTiN с различными композициями между слоями. Согласно английским рефератам публикации патента Японии № 2003 340608 A2 Natsuki и др. и публикации патента Японии № 2004 106108 A2 Hidemitsu и др., в их описаниях раскрываются чередующиеся слои TiAlCrN, но в каждом слое покрытия всегда присутствует хром.

WO 2006/084404 A1 (Endrino) (принадлежащая Uniaxis Balzer AG) раскрывает нанесение внутреннего слоя покрытия на основе AlCrN и внешнего покровного слоя на основе AlCrN. Согласно английскому реферату публикация патента Японии № 2004 050381 A2 Yasuhiko явно раскрывает поверхностный слой на основе AlCrN. Патент США № 7226670 B2 Derflinger и др. (принадлежащий OC Oerlikon Balzers AG), по всей видимости, сообщает о том, что AlCrN является выгодным материалом покрытия.

Публикация заявки на патент США № US 2005/0170162 A1 Yamamoto и др. явно раскрывает слой покрытия (Ti Al Cr)N в системе чередующихся покрытий. Патент США № 6730392 B2 Vetter и др., как представляется, раскрывает систему чередующихся покрытий, где слои имеют различные содержания алюминия, титана и хрома, а также различные соотношения азот/кислород. Патент США № 7008688 B2 Toihara раскрывает устройство чередующегося слоя покрытия с применением TiAlN и CrN. Кроме того, следующие патентные документы, как представляется, раскрывают различные системы покрытия с чередующимися слоями покрытия: патент США № 6103357 Selinder и др., патент США № 7056602 Hörling и др., патент США № 7083868 Hörling и др. и международная публикация WO 2006/041366 A1 Astrand и др.

Следующие три патента явно показывают применимость пленок из (Ti Al Cr)N: патент США № 6824601 B2 Yamamoto и др., патент США № 6919288 B2 Yamamoto и др. и патент США № 7186324 B2 Yamamoto и др.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одной своей разновидности данное изобретение представляет собой покрытую режущую пластину для применения в операции по снятию материала со стружкообразованием. Режущая пластина включает основу и систему износостойкого покрытия. Система износостойкого покрытия включает систему покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев, содержащую титан, алюминий, хром и азот. Система покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев содержит множество наборов комбинаций чередующихся слоев, где каждая из комбинаций чередующихся слоев содержит базовый слой, включающий титан, алюминий и азот, и нанослойную область, включающую множество наборов чередующихся нанослоев. Каждый набор чередующихся нанослоев содержит один нанослой, включающий алюминий, хром, титан и азот, и другой нанослой содержит алюминий, хром, титан и азот. Базовый слой имеет толщину базового слоя, и нанослойная область имеет толщину нанослойной области, при этом толщина базового слоя меньше, чем толщина нанослойной области.

В другой своей разновидности данное изобретение представляет собой покрытую режущую пластину для применения в операции по снятию материала со стружкообразованием. Режущая пластина включает основу и систему износостойкого покрытия. Система износостойкого покрытия включает систему покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев, содержащую титан, алюминий, хром и X. Система покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев содержит множество наборов комбинаций чередующихся слоев, где каждая из комбинаций чередующихся слоев содержит базовый слой, включающий титан, алюминий и X, и нанослойную область, включающую множество наборов чередующихся нанослоев. Каждый набор чередующихся нанослоев содержит один нанослой, включающий алюминий, хром, титан и X, и другой нанослой, включающий алюминий, хром, титан и X. X содержит любой один компонент из следующих: азот; углерод; бор; углерод и азот; бор и азот; углерод, и бор, и азот; азот и кислород; углерод и кислород; бор и кислород; углерод, и азот, и кислород; бор, и азот, и кислород; и углерод, и бор, и азот, и кислород. Базовый слой имеет толщину базового слоя, и нанослойная область имеет толщину нанослойной области, при этом толщина базового слоя меньше, чем толщина нанослойной области.

В другой разновидности изобретения способ нанесения системы покрытия включает следующие этапы: наносят систему покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев, содержащую титан, алюминий, хром и X, и этап нанесения системы покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев, что включает следующие этапы: наносят множество наборов комбинаций чередующихся слоев, при этом нанесение каждой комбинации чередующихся слоев включает следующие этапы: наносят базовый слой, включающий титан, алюминий и X; и наносят нанослойную область, что включает следующие этапы: наносят множество наборов чередующихся нанослоев, что включает следующие этапы: наносят один нанослой, включающий титан, алюминий хром, и X, и наносят другой нанослой, включающий алюминий, хром, титан и X.

В другой своей разновидности данное изобретение представляет собой покрытое изделие. Покрытое изделие содержит основу и систему износостойкого покрытия. Система износостойкого покрытия содержит систему покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев, содержащую титан, алюминий, хром и азот. Система покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев содержит множество наборов комбинаций чередующихся слоев, где каждая из комбинаций чередующихся слоев содержит базовый слой, включающий титан, алюминий и азот и нанослойную область, включающую множество наборов чередующихся нанослоев. Каждый набор чередующихся нанослоев содержит один нанослой, включающий алюминий, хром, титан и азот, и другой нанослой содержит алюминий, хром, титан и азот. Базовый слой имеет толщину базового слоя, и нанослойная область имеет толщину нанослойной области, где толщина базового слоя меньше, чем толщина нанослойной области.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Ниже следует краткое описание графических материалов, которые составляют часть данной патентной заявки:

ФИГ.1 представляет собой изометрическое изображение покрытой режущей пластины данного изобретения, где покрытая режущая пластина содержит основу и систему износостойкого покрытия, и часть покрытия удалена для того, чтобы показать основу;

ФИГ.2 представляет собой схематическое изображение конкретного варианта осуществления износостойкой системы покрытия данного изобретения;

ФИГ.2A представляет собой увеличенное схематическое изображение нанослойной области покрытия износостойкой системы покрытия ФИГ.2;

ФИГ.3 представляет собой микроснимок (с масштабом 10 мкм), сделанный с помощью оптической микроскопии, конкретного варианта осуществления поперечного сечения системы покрытия данного изобретения, который демонстрирует угол режущей кромки покрытой режущей пластины;

ФИГ.4 представляет собой микроснимок (с масштабом 10 нм), сделанный с помощью просвечивающей электронной микроскопии (TEM) нанослойной области покрытия конкретного варианта осуществления системы покрытия данного изобретения;

ФИГ.4A представляет собой дифрактограмму, сделанную с помощью TEM, которая демонстрирует гранецентрированную кубическую (FCC) кристаллическую структуру специфического варианта осуществления износостойкой системы покрытия; и

ФИГ.5 представляет собой рентгенограмму износостойкой системы покрытия, которая демонстрирует две гранецентрированные кубические (FCC) кристаллические структуры (то есть, Fm-3m структуру с параметром кристаллической решетки = 0,4151 нм согласно ФИГ.5 и F-43m структуру с параметром кристаллической решетки = 0,4368 нм) согласно ФИГ.5.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ФИГ.1 представляет собой изометрическое изображение покрытой режущей пластины данного изобретения, в целом обозначаемой 20. Покрытая режущая пластина 20 содержит основу 22 и систему покрытия 24. Часть покрытия 24 удалена для того, чтобы показать основу 22. Система покрытия 24 находится на поверхности основы режущей пластины 22. Покрытая режущая пластина 20 имеет боковые поверхности 26 и наклонные поверхности 28. Режущие кромки 30 находятся на пересечениях боковых поверхностей 26 и наклонных поверхностей 28. Основа 22 может быть какой-либо из числа материалов, пригодных в качестве основы для применения в качестве режущей пластины, включающей, но без ограничения указанным, следующие материалы: быстрорежущая сталь, цементированные карбиды, включая карбид кобальта-вольфрама, керамику, включая SiAlON и оксид алюминия, и нитрид кремния, металлокерамические материалы, включая материалы на основе карбида титана, и сверхтвердые материалы, включая спеченный кубический нитрид бора и спеченный алмаз.

Покрытые режущие пластины, такие как режущая пластина 20, пригодны для удаления материала в операции по снятию материала со стружкообразованием. Операции по снятию материала со стружкообразованием включают, без ограничения указанным, помол, точение, бурение, сверление и подобные операции, где режущая пластина сцепляется с обрабатываемым изделием, при этом режущая пластина и обрабатываемое изделие двигаются относительно друг друга. Большое количество тепла может возникать в точке (или на поверхности) сцепления между обрабатываемым изделием и режущей пластиной (то есть, граница раздела режущая пластина-стружка). Перенос тепла от границы раздела режущая пластина-стружка на основу и границу раздела между системой покрытия и основой (то есть, граница раздела покрытие-основа) неблагоприятно влияет на производительность режущей пластины. Более конкретно, перенос тепла на основу и границу раздела покрытие-основа ослабляет сцепление покрытия и основы, что создает преждевременный избыточный износ покрытия. Такой избыточный износ системы покрытия обычно сокращает срок службы покрытой режущей пластины.

Система покрытия обычно влияет на степень переноса тепла от границы раздела режущая пластина-стружка на основу и границу раздела покрытие-основа. Так как перенос тепла, и особенно избыточного тепла, на основу и границу раздела покрытие-основа является неблагоприятным для целостности покрытия, система покрытия, которая проявляет свойства общей теплопроводности, которые уменьшают такой перенос тепла, является преимущественной. Это так, потому что такое уменьшение в переносе тепла типично приводит к более длительному сроку службы инструмента для режущей пластины по сравнению с покрытой режущей пластиной, которая не демонстрирует уменьшение в переносе тепла. В настоящих вариантах осуществления, при применении выбранных последовательностей покрытия, вся система покрытия проявляет свойства общей теплопроводности, которые минимизируют степень переноса тепла от границы раздела режущая пластина-стружка (или контактной зоны стружка-поверхность покрытия) на основу и границу раздела покрытие-основа.

Конкретная система покрытия имеет многослойную систему, которая включает один или несколько слоев покрытия, которые включают алюминий, хром и азот (например, нитрид алюминия-хрома), которые имеют более низкую теплопроводность, и один или несколько слоев, которые включают титан, алюминий и азот (например, нитрид титана-алюминия), которые имеют более высокую теплопроводность. Применение этих двух слоев покрытия, то есть нитрида алюминия-хрома и нитрида титана-алюминия, в определенном расположении (или конструкции) приводит к уменьшению (или минимизации) переноса тепла от границы раздела режущая пластина-стружка вниз к основе и границе раздела покрытие-основа.

Более конкретно, применение верхнего слоя покрытия из нитрида алюминия-хрома помогает препятствовать переносу тепла от границы раздела режущая пластина-стружка на основу и границу раздела покрытие-основа благодаря более низкой теплопроводности нитрида алюминия-хрома. В результате, некоторое количество тепла остается в стружке и не проходит в и через покрытие и в основу и границу раздела покрытие-основа. Таким образом, при понимании того, что применение верхнего покрытия с более низкой теплопроводностью обеспечивает преимущества, применение такого слоя отдельно может быть неблагоприятным из-за избыточной концентрации тепла на режущей кромке, что приводит к поломке инструмента на режущей кромке.

Для устранения наличия избыточного тепла на режущей кромке благодаря верхнему слою покрытия с более низкой теплопроводностью, система покрытия может содержать нижний слой покрытия из нитрида титана-алюминия, который имеет более высокую теплопроводность, под слоем из нитрида алюминия-хрома. Нижний слой покрытия служит для рассеивания тепла на верхнем слое покрытия, так что тепло будет рассеиваться во всех направлениях (например, в перпендикулярном направлении, а также параллельно поверхности) в пределах слоя покрытия из нитрида титана-алюминия. Такое рассеивание тепла (или пространственное распределение тепла) удаляет избыточную концентрацию тепла на режущей кромке.

Так как перенос тепла происходит последовательно от верхнего слоя покрытия к самому дальнему внутреннему слою покрытия, слои покрытия в многослойной нанослойной последовательности покрытий (или конструкции покрытий) являются такими, что слой покрытия из нитрида алюминия-хрома препятствует или блокирует перенос тепла, и слои покрытия из нитрида титана-алюминия распределяют или рассеивают тепло. Результат действия покрытия, попеременно блокирующего перенос тепла или рассеивающего тепло, приводит к уменьшению тепла в основе и на границе раздела покрытие-основа. Дополнительно, наличие другого базового слоя покрытия из нитрида алюминия-хрома, который имеет более низкую теплопроводность, между основой и базовым слоем помогает защитить основу и границу раздела покрытие-основа от переноса тепла. Уменьшение переноса тепла на основу и границу раздела покрытие-основа приводит к уменьшению (или минимизации) или задержке образования термической трещины в основе. Задержка или уменьшение термического растрескивания в основе обычно увеличивает срок службы режущей пластины.

ФИГ.2 иллюстрирует вид поперечного сечения конкретного варианта осуществления износостойкой системы покрытия, в целом обозначенной 40 по данному изобретению. Нанесение покрытия физическим осаждением из паров (PVD) представляет собой метод, применяемый для нанесения системы покрытия 40. Система износостойкого покрытия 40 содержит нижний слой 42, который включает алюминий, хром и азот. Система покрытия 40 дополнительно включает верхний слой 46, который включает алюминий, хром и азот. Нижний слой 42 и верхний слой 46 каждый демонстрируют более низкую теплопроводность как описано выше. Система покрытия 40 также включает систему покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев (см. скобку 44), которая включает титан, алюминий, хром и азот. Система износостойкого покрытия 40 имеет толщину покрытия A, равную приблизительно от 1500 нанометров до приблизительно 15000 нанометров. Различные слои покрытия в системе покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев могут иметь различный состав, имеющий различные теплопроводности. С помощью выборочного распределения слоев покрытия в системе покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев получают конструкцию покрытия, которая действует, альтернативно блокируя перенос тепла или рассеивая тепло, что приводит к уменьшению тепла в основе и на границе раздела покрытие-основа.

Система покрытия также включает нижний переходный слой покрытия 43, который расположен над нижним слоем 42. Нижний переходный слой покрытия 43 обеспечивает переход между нижним слоем 42 и системой покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев 44. Есть также верхний переходный слой покрытия 45, который обеспечивает переход между системой покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев 44 и верхним слоем 46.

В этом конкретном варианте осуществления нижний слой 42 ближе всего расположен к основе, а верхний слой 46 расположен дальше всего от основы. Система покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев 44 расположена между нижним переходным слоем покрытия 43 и верхним переходным слоем покрытия 45. Следует понимать, что другие нижние слои (или составные слои покрытия) могут находиться между нижним слоем 42 и поверхностью основы. Также следует понимать, что верхний слой покрытия (или система верхнего слоя покрытия составных слоев покрытия) может располагаться над верхним слоем 46.

Нижний слой 42 имеет толщину нижнего слоя B, которая находится в диапазоне между приблизительно 20 нанометров и приблизительно 500 нанометров. Верхний слой 46 имеет толщину верхнего слоя D, которая находится в диапазоне между приблизительно 300 нанометров и приблизительно 2000 нанометров. Более предпочтительно, толщина верхнего слоя 46 составляет более, чем 500 нанометров для достижения оптимального теплового барьера. Нижний слой 42 имеет композицию из (Al_aCr_1-a)N, где 0,2 ≤ a ≤ 0,7, и более предпочтительно композицию, где 0,5 ≤ a ≤ 0,69. Верхний слой 46 имеет композицию из (Al_aCr_1-a)N, где 0,2 ≤ a ≤ 0,7, и более предпочтительно композицию, где 0,5 ≤ a ≤ 0,69.

Что касается системы покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев 44, она содержит множество наборов в виде комбинаций чередующихся слоев (см. скобки 50, 52, 54, 56, 58, 60 и 62). Следует понимать, что количество комбинаций из чередующихся слоев, как в скобке 50, может изменяться в зависимости от конкретного применения режущей пластины. Что касается комбинаций из чередующихся слоев 50, которая является типичной среди других комбинаций из чередующихся слоев, комбинация 50 включает базовый слой 64, который содержит титан, алюминий и азот. Комбинация из чередующихся слоев 50 дополнительно содержит нанослойную область (см. скобку 66).

Со ссылкой на ФИГ.2A, нанослойная область 66 содержит множество наборов чередующихся нанослоев (68, 70, 72, 74, 76 и 78), где один нанослой 82 содержит алюминий, хром, титан и азот, и другой нанослой 84 содержит алюминий, хром, титан и азот. Содержания алюминия, хрома, титана и азота в одном нанослое 82 могут отличаться и, обычно, по меньшей мере, для одного из элементов отличаются от содержаний алюминия, хрома, титана и азота в другом нанослое 84. В некоторых случаях, содержание хрома в одном нанослое почти равно или равно нулю. В подобных случаях, один нанослой имеет состав (Ti_yAl_1-y)N, где 0,2 ≤ y ≤ 0,65, и другой нанослой имеет состав (Ti_pAl_qCr_1-(p+q))N, где 0,2 ≤ p ≤ 0,5 и 0,01 ≤ q ≤ 0,65 и (p + q) < 1 (и более предпочтительно 0,3 ≤ p ≤ 0,5 и 0,2 ≤ q ≤ 0,65 и (p + q) < 1). В тех случаях, когда хром присутствует в обоих нанослоях, один нанослой из набора чередующихся нанослоев в нанослойной области включает (Ti_yCr_xAl_1-(x+y))N, где 0 < x ≤ 0,15 и 0,2 ≤ y ≤ 0,65, и другой нанослой набора чередующихся нанослоев в нанослойной области включает (Ti_pAl_qCr_1-(p+q))N, где 0,2 ≤ p ≤ 0,65 и 0,01 ≤ q ≤ 0,65 и (p + q) < 1.

Нанослойная область 66 имеет толщину нанослойной области F, равную от приблизительно 100 нанометров и до приблизительно 900 нанометров. Дополнительно, для каждого набора чередующихся нанослоев (68, 70, 72, 74, 76, 78) чередующиеся нанослои (82, 84) в них имеют периодичность в диапазоне от приблизительно 2 нанометров до приблизительно 50 нанометров. Базовый слой 64 имеет толщину базового слоя G, которая находится в диапазоне от приблизительно 100 нанометров до приблизительно 500 нанометров. Базовый слой 64 имеет состав (Ti_yAl_1-y)N, и где 0,2 ≤ y ≤ 0,65, и более предпочтительно 0,3 ≤ y ≤ 0,6. Толщина G базового слоя меньше, чем толщина F нанослойной области.

Что касается нижнего переходного слоя покрытия 43, этот слой покрытия 43 содержит множество наборов чередующихся нанослоев, таких как область 66. Один нижний переходный нанослой содержит алюминий, хром, титан и азот, и другой нижний переходный нанослой содержит алюминий, хром, титан и азот. Содержания алюминия, хрома, титана и азота в одном нижнем переходном нанослое могут отличаться и, обычно, по меньшей мере, для одного из элементов отличаются от содержаний алюминия, хрома, титана и азота в другом нижнем переходном нанослое. В некоторых случаях, содержание хрома в одном нижнем переходном нанослое почти равно или равно нулю. В подобных случаях один нижний переходный нанослой имеет состав (Ti_yAl_1-y)N, где 0,2 ≤ y ≤ 0,65, и другой нижний переходный нанослой имеет состав (Ti_pAl_qCr_1-(p+q))N, где 0,2 ≤ p ≤ 0,5 и 0,01 ≤ q ≤ 0,65 и (p + q) < 1 (и более предпочтительно 0,3 ≤ p ≤ 0,5 и 0,2 ≤ q ≤ 0,65 и (p + q) < 1). В тех случаях, когда хром присутствует в обоих нижних переходных нанослоях, один нижний переходный нанослой содержит (Ti_yCr_xAl_1-(x+y))N, где 0 < x ≤ 0,15 и 0,2 ≤ y ≤ 0,65, и другой нижний переходный нанослой содержит (Ti_pAl_qCr_1-(p+q))N, где 0,2 ≤ p ≤ 0,65 и 0,01 ≤ q ≤ 0,65 и (p + q) < 1. Толщина нижнего переходного слоя покрытия находится в диапазоне от приблизительно 50 нанометров до приблизительно 200 нанометров. Дополнительно, для каждого набора чередующихся нанослоев, чередующиеся нанослои в них имеют периодичность в диапазоне от приблизительно 2 нанометров до приблизительно 50 нанометров.

Что касается верхнего переходного слоя покрытия 45, этот слой покрытия 45 содержит множество наборов чередующихся верхних переходных нанослоев, таких как область 66. Один верхний переходный нанослой содержит алюминий, хром, титан и азот, и другой нанослой содержит алюминий, хром, титан и азот. Содержания алюминия, хрома, титана и азота в одном верхнем переходном нанослое могут отличаться и, обычно, по меньшей мере, для одного из элементов отличаются от содержаний алюминия, хрома, титана и азота в другом верхнем переходном нанослое. В некоторых случаях содержание хрома в одном верхнем переходном нанослое почти равно или равно нулю. В подобных случаях один верхний переходный нанослой имеет состав (Ti_yAl_1-y)N, где 0,2 ≤ y ≤ 0,65, и другой верхний переходный нанослой имеет состав (Ti_pAl_qCr_1-(p+q))N, где 0,2 ≤ p ≤ 0,5 и 0,01 ≤ q ≤ 0,65 и (p + q) < 1 (и более предпочтительно 0,3 ≤ p ≤ 0,5 и 0,2 ≤ q ≤ 0,65 и (p + q) < 1). В тех случаях, когда хром присутствует в обоих верхних переходных нанослоях, один верхний переходный нанослой содержит (Ti_yCr_xAl_1-(x+y))N, где 0 < x ≤ 0,15 и 0,2 ≤ y ≤ 0,65, и другой верхний переходный нанослой содержит (Ti_pAl_qCr_1-(p+q))N, где 0,2 ≤ p ≤ 0,65 и 0,01 ≤ q ≤ 0,65 и (p + q) < 1. Толщина верхнего переходного слоя покрытия находится в диапазоне от приблизительно 50 нанометров до приблизительно 200 нанометров. Дополнительно, для каждого набора чередующихся нанослоев, чередующиеся нанослои в них имеют периодичность в диапазоне от приблизительно 2 нанометров до приблизительно 50 нанометров.

Нижний слой 42 имеет теплопроводность нижнего слоя. Базовый слой 64 имеет теплопроводность базового слоя. Теплопроводность нижнего слоя меньше, чем теплопроводность базового слоя. Верхний слой 46 имеет теплопроводность верхнего слоя, причем теплопроводность верхнего слоя меньше, чем теплопроводность базового слоя.

В отношении композиции износостойкой системы покрытия, любой один или несколько из нижнего слоя и верхнего слоя и системы покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев, в дополнение к упоминавшимся металлическим элементам или вместо них, может дополнительно включать один или несколько металлов из группы IVb, Vb и VIb периодической таблицы и кремний. А именно, любой один или несколько из нижнего слоя и верхнего слоя и системы покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев, в дополнение к титану, хрому и алюминию или вместо них могут дополнительно включать один или несколько элементов из вольфрама, ванадия, молибдена, ниобия и кремния.

Следует понимать, что можно добавить углерод к азоту в композициях, упомянутых выше, для нижнего слоя, верхнего слоя и системы покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев. В таком случае, нижний слой имеет состав (Al_aCr_1-a)C_sN_t, где 0,2 ≤ a ≤ 0,7 (и более предпочтительно 0,5 ≤ a ≤ 0,69), и s + t = 1. Верхний слой имеет состав (Al_aCr_1-a) C_sN_t, где 0,2 ≤ a ≤ 0,7 (и более предпочтительно 0,5 ≤ a ≤ 0,69) и s + t = 1. Относительно набора комбинаций из чередующихся слоев (например, 50), базовый слой имеет состав (Ti_yAl_1-y) C_sN_t, и где 0,2 ≤ y ≤ 0,65 (и более предпочтительно 0,3 ≤ y ≤ 0,6) и s + t = 1. В случае, когда один нанослой (например, нанослой 82 в наборе 68) не включает хром, и другой нанослой (например, нанослой 84 в наборе 68) включает хром, один нанослой имеет состав (Ti_yAl_1-y) C_sN_t, где 0,2 ≤ y ≤ 0,65 (и более предпочтительно 0,3 ≤ y ≤ 0,6) и s + t = 1, и другой нанослой имеет состав (Ti_pAl_qCr_1-(p+q)) C_sN_t, где 0,2 ≤ p ≤ 0,5 и 0,01 ≤ q ≤ 0,65 и (p + q) < 1 (и более предпочтительно 0,3 ≤ p ≤ 0,5 и 0,2 ≤ q ≤ 0,65 и (p + q) < 1) и s + t =1. В другом случае, когда оба нанослоя включают хром, один нанослой из набора чередующихся нанослоев в нанослойной области содержит (Ti_yCr_xAl_1-(x+y))C_sN_t, где 0 < x ≤ 0,15 и 0,2 ≤ y ≤ 0,65 и s + t = 1, и другой нанослой из набора чередующихся нанослоев в нанослойной области содержит (Ti_pAl_qCr_1-(p+q))C_sN_t, где 0,2 ≤ p ≤ 0,5 и 0,01 ≤ q ≤ 0,65 и (p + q) < 1 и s + t = 1. В другом случае следует понимать, что содержание хрома может отличаться у двух нанослоев.

Следует понимать, что система износостойкого покрытия может включать неметаллические компоненты, отличные от углерода и/или азота. В этом отношении, система износостойкого покрытия включает нижний слой, содержащий алюминий и хром и X, и верхний слой, содержащий алюминий и хром и X. Нижний слой находится ближе всего к основе, а верхний слой находится дальше всего от основы. Система износостойкого покрытия дополнительно включает систему покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев, которая находится между нижним слоем и верхним слоем.

Дополнительно, в случае, когда система износостойкого покрытия может включать неметаллические компоненты, отличные от углерода и/или азота, система покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев включает титан, алюминий, хром и X. Система покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев содержит множество комбинаций из чередующихся слоев, где каждая из комбинаций из чередующихся слоев содержит базовый слой, включающий титан, алюминий и X и нанослойную область, включающую чередующиеся нанослои, где один нанослой содержит титан, алюминий, хром и X, и другой нанослой содержит алюминий, хром, титан и X. В такой комбинации покрытия и для всех слоев покрытия, X может включать любой один из следующих элементов: азот; углерод; бор; углерод и азот; бор и азот; углерод, и бор, и азот; азот и кислород; углерод и кислород; бор и кислород; углерод, и азот, и кислород; бор, и азот, и кислород; и углерод, и бор, и азот, и кислород.

Таблица 1 отражает типичные размеры системы покрытия, такие как указаны на ФИГ.2 и 2A.

ФИГ.3 представляет собой микроснимок (с масштабом 10 мкм), сделанный с помощью оптического микроскопа, конкретного варианта осуществления системы покрытия по данному изобретению (образец № 1 по данному изобретению), который показывает угловую режущую кромку покрытой режущей пластины. Основа содержит цементированный (кобальтсодержащий) карбид вольфрама, в состав которого входит приблизительно 10,5 процентов по весу кобальта, приблизительно 6,3 процентов по весу тантала, приблизительно 5,4 процентов по весу титана, и приблизительно 3,1 процентов по весу ниобия, а остальное представляет собой частицы карбида вольфрама. Основа имеет следующие свойства: плотность (измерена согласно процедуре в ASTM B311), равная приблизительно 12,3 грамма на кубический сантиметр, коэрцитивная сила (H_C) (измерена согласно ASTM B887), равная приблизительно 180 эрстедов, размер частицы (определенный в соответствии со сравнительной системой в ASTM B390), равный приблизительно 1-6 микрометров, и прочность, равная приблизительно 91,5 единиц по шкале Роквелл A. ФИГ.3 показывает, что система износостойкого покрытия содержит нижний слой с толщиной, равной приблизительно 200 нанометров, и состоящий из алюминия и хрома и азота. Система износостойкого покрытия также имеет верхний слой с толщиной, равной приблизительно 600 нанометров, и состоящий из алюминия и хрома и азота.

Относительно ФИГ.3, система износостойкого покрытия также имеет систему покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев, которая находится между верхним переходным слоем и нижним переходным слоем. Система покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев содержит множество комбинаций из чередующихся слоев, где каждая из комбинаций из чередующихся слоев содержит базовый слой, включающий титан, алюминий и азот и нанослойную область, включающую чередующиеся нанослои, где один нанослой содержит алюминий, хром, титан и азот, и другой нанослой содержит алюминий, хром, титан и азот.

Для каждой комбинации чередующихся слоев, число которых составляет восемь, базовый слой имеет толщину приблизительно 170 нанометров и нанослойная область имеет толщину, равную приблизительно 350 нанометров. Общая толщина износостойкой системы покрытия равна приблизительно 5120 нанометров (то есть, 200 нм + 80 нм + 8×(170 нм +350 нм ) + 80 нм + 600 нм). В нанослойной области общая толщина для каждого набора чередующихся нанослоев равна приблизительно 4 нанометра, так что общая толщина TiAlCrN области (с низким содержанием хрома) и AlCrTiN области (с высоким содержанием хрома) равна приблизительно 4 нанометра. Отношение толщин TiAlCrN области (с низким содержанием хрома) и AlCrTiN области (с высоким содержанием хрома), то есть, TiAlCrN область (с низким содержанием хрома):AlCrTiN область (с высоким содержанием хрома), равно приблизительно 2:1.

ФИГ.4 представляет собой микроснимок (с масштабом 10 нм), сделанный с помощью трансмиссионной электронной микроскопии (TEM) в нанослойной области образца № 1 по данному изобретению. Химический состав нанослойной области образца № 1 по данному изобретению приведен ниже в таблице 2.

ФИГ.4A представляет собой избранную область электронограммы, сделанной с помощью TEM, которая показывает гранецентрированную кубическую (FCC) кристаллическую структуру образца № 1 по данному изобретению для износостойкой системы покрытия. Это очевидно из характерных относительных диаметров колец дифракционной картины.

ФИГ.5 представляет собой рентгенограмму износостойкой системы покрытия образца № 1 по данному изобретению, которая показывает присутствие двух гранецентрированных кубических (FCC) кристаллических структур. Расчеты указаны вдоль вертикальной оси и положение (2 тета) указано вдоль горизонтальной оси.

Один предпочтительный аппарат для нанесения покрытия, пригодный для нанесения системы покрытия, показан и описан в европейском патенте № 1186681, а также в патенте США № 7025863, Seeli и другие. Каждый из этих патентных документов настоящим включен в данное описание путем ссылки на него.

Что касается применения конкретных вариантов осуществления износостойкой системы покрытия данного изобретения с помощью вышеуказанной методики PVD, нанесение многослойных Ti-Al-(X)-N/Al-Cr-(X)-N-покрытий выполняли, применяя систему промышленного покрытия (Тип RCS, INNOVA) компании Oerlikon Balzers Coating. Описание этой системы покрытия описано в европейском патенте № 1186681 на ФИГ.3-6 с письменным описанием в столбце 7, строка 18 - столбце 9, строка 25, причем вышеупомянутый европейский патент включен в данное описание путем ссылки на него. Эквивалентом вышеупомянутому европейскому патенту является патент США № 7025863, Seeli и другие, и соответствующий текст в столбце 6, строка 22 - столбце 7, строка 54, причем вышеупомянутый патент США включен в данное описание путем ссылки на него.

Для изготовления данных покрытий очищенные части, особенно пластины твердого сплава, в зависимости от их диаметра были установлены с помощью двойного или тройного чередования на карусельном механизме вращения подложек, и четыре изготовленные металлургически из расплава Ti-Al-мишени и две изготовленные методами порошковой металлургии Al-Cr-(X)-мишени, которые поместили в шесть катодных дуговых источников на боковые стенки камеры покрытия. Геометрия расположения мишеней главным образом определяется восьмиугольной схемой системы покрытия RCS (Oerlikon Balzers), в которой два расположенных друг напротив друга нагревающих сегмента разделяют две группы сегментов, имеющих по три последовательно расположенные дуговых катода. Для данных исследований Al-Cr-мишень установили противоположно в каждом промежуточном положении одного сегмента, но, в принципе, можно применять различные расположения мишени для нанесения данного вида покрытий. По меньшей мере два дуговых катода в геометрически эквивалентном положении должны применяться для нанесения данных покрытий.

После этого, части, которые необходимо покрыть, нагревали до приблизительно 500°C с помощью радиационных нагревателей, которые фиксировано смонтированы в системе покрытия. После этапа нагревания поверхность частей очистили с помощью аргонового травления, применяя напряжение смещения постоянного тока от -100 до -250 В в атмосфере аргона при давлении 0,2 Па.

Следующие два Al-Cr-источника применяли для формирования нижнего слоя Al-Cr-N с толщиной приблизительно 0,2 мкм, применяя мощность 3 кВт и напряжение смещения основы -40 В в течение приблизительно 18 минут. Затем две Al-Cr мишени и четыре Ti-Al мишени применяли для нанесения нижнего переходного слоя Ti-Al-Cr-N на две минуты. Впоследствии наносили покрытие в виде комбинации из чередующихся слоев, где сначала четыре Ti-Al-источника при мощности приблизительно 5 кВ применяли в течение приблизительно 5 минут, и во вторую очередь два Al-Cr-источника подключали дополнительно к четырем работающим Ti-Al-источникам, так что формировался слой Ti-Al-Cr-N. Все шесть источников вместе работают в течение приблизительно 7 минут. Для существующего варианта осуществления этот пакет слоев воспроизводили несколько раз для получения заданной толщины покрытия завершенного промежуточного многократно повторяющегося нанослоя. Затем применяли две Al-Cr мишени и четыре Ti-Al мишени для нанесения верхнего переходного слоя Ti-Al-Cr-N в течение двух минут. В конце снова нанесли верхний слой Al-Cr-N, применяя такие же параметры, как и для нижнего слоя, и время покрытия составляло приблизительно 60 минут, с толщиной 0,6 мкм. Все покрытия наносили в атмосфере азота при давлении приблизительно 3 Па и напряжении смещения приблизительно -40 В. В основном, рабочее давление для каждого отдельного слоя может быть в диапазоне 0,5-8 Па, но предпочтительно между 0,8 и 5 Па. Для нанесения нитридов можно применять атмосферу чистого азота или смесь азота и инертного газа, такого как аргон, тогда как для нанесения карбонитридов можно применять смесь азота и газа, содержащего углерод. Более того, для изготовления пленок, содержащих кислород или бор, газы, содержащие кислород или бор, можно смешивать в процессе покрытия.

Следующие примеры демонстрируют эффективность и производительность покрытой режущей пластины, а также износостойкой системы покрытия по данному изобретению.

Испытание 1 включает испытание шести покрытых режущих пластин, обозначенных Опыты 1-6. Опыты 1-5 представляют собой фактические, известные из уровня техники покрытые режущие пластины, доступные на коммерческом рынке. Опыт 6 относится к покрытой режущей пластине по данному изобретению. Испытание 1 сравнивает производительность высокоскоростного торцевого фрезерования легированных сталей с помощью цементированной вставки твердого сплава следующей геометрии: SDPT1204PDSRGB2. Материал детали представляет собой легированную сталь 4140 (DIN 1.7225, 42CrMo4). Параметры резания установлены ниже: скорость резания v_c = 300 м/минуту; скорость подачи f_z= 0,2 мм/зубец; глубина среза a_p = 4 мм; ширина среза a_e = 61 мм; длина прохода l = 610 мм; охлаждающее средство: сухое; и критерий износа: v_b,max = 0,3 мм. Результаты исследования указаны ниже в таблице 3.

Испытание 1 показывает сравнение срока эксплуатации покрытых цементированных вставок твердого сплава при применении высокоскоростного резания. Данные результаты показывают, что покрытая режущая пластина по данному изобретению (то есть, Опыт 6) демонстрирует повышение во времени эксплуатации более, чем в два раза по сравнению с контрольным показателем коммерческого инструмента в Опыте 1.

Испытание 2 включает испытание пяти покрытых режущих пластин (Опыты 7-11), где Опыт № 7 описывает покрытую режущую пластину по данному изобретению. Опыты 8-11 описывает покрытые режущие пластины, которые имеют другие системы покрытия на них. Композиция мишени, покрытие, толщина, сцепление и микропрочность для опытов 7-11 представлены в таблице 4. Технологические параметры, такие как мощность, подводимая к мишени, напряжение смещения на подложке (основе), рабочее давление и температура нанесения показаны в таблице 5. Испытание 2 включает высокоскоростное торцевое фрезерование легированной стали с помощью цементированных вставок твердого сплава следующей геометрии: SDPT1204PDSRGB2. Материал детали представляет собой легированную сталь 4140 (DIN 1.7225, 42CrMo4). Параметры резания следующие: скорость резания v_c = 300 м/минуту; скорость подачи f_z= 0,2 мм/зубец; глубина среза a_p = 4 мм; ширина среза a_e = 61 мм; длина прохода l = 610 мм; охлаждающее средство: сухое; и критерий износа: v_b,max = 0,3 мм. Результаты исследования для Испытания 2 указаны ниже в таблице 6.

Очевидно, что в Опытах 7-11 применяли различные материалы мишени для нанесения различных видов многослойных покрытий. Уже можно было наблюдать улучшения по сравнению с контрольными покрытиями (см. Опыт 1 в примере 1), но покрытие, которое описано в данном изобретении (Опыт 7), показало самую многообещающую производительность.

Испытание 3 включает испытание двух покрытых режущих пластин (то есть, Опыты 12 и 13) в торцевом фрезеровании углеродистой стали. Покрытые режущие пластины представляли собой цементированные вставки твердого сплава, которые имели следующую геометрию: SDMT1205PDR-HQ-M. Материал детали представлял собой углеродистую сталь 1045 (DIN 1.1191, Ck45). Параметры резания были следующие: скорость резания v_c = 350 м/минуту; скорость подачи f_z= 0,2 мм/зубец; глубина среза a_p = 4 мм; охлаждающее средство: сухое; и критерий износа: v_b,max = 0,3 мм. Таблица 7 представляет результаты исследования.

В испытании 3 покрытую режущую пластину данного изобретения (Опыт 12) испытывали по отношению к известной из уровня техники покрытой режущей пластине (Опыт 13). В данном испытании резания можно было наблюдать значительное, в 2,6 раза, увеличение срока службы. Максимальный износ определяли как износ зубца на боку инструмента.

Испытание 4 включает испытание трех покрытых режущих пластин (Опыты 14-16) при торцевом фрезеровании легированной стали с применением цементированной вставки твердого сплава следующей геометрии: SDMT1205PDR-HQ-M. Материал детали представляет собой легированную сталь 4140 (DIN 1.7225, 42CrMo4). Параметры резания следующие: скорость резания v_c = 180 м/минуту; скорость подачи f_z= 0,2 мм/зубец; глубина среза a_p = 4 мм; охлаждающее средство: сухое; и критерий износа: v_b,max = 0,3 мм.

Таблица 8 представляет результаты испытания 4.

Результат испытания 4 вновь показывает сравнение покрытой режущей пластины по данному изобретению (то есть, Опыт 14) со стандартным доступным покрытием для данного вида вставок на рынке (Опыты 15 и 16). Это испытание провели при умеренных скоростях резания. Можно было обнаружить увеличение производительности на восемьдесят девять процентов (89%) по сравнению с опытом 16. В этом испытании максимальный износ наблюдался в углу режущего инструмента.

Испытание 5 включает испытание четырех покрытых режущих пластин при средней скорости сверления в сером чугуне с применением модульной цементированной карбидной вставки сверления твердого сплава типа KSEM. Материал детали представляет собой класс 40 серого чугуна (~250 BHN). Параметры резания следующие: скорость резания v_c = 198 м/минуту; скорость подачи f_z = 0,35 мм/зубец; диаметр сверла = 12,5 мм; глубина отверстия = 62 мм; охлаждающее средство: синтетическая эмульсия Castrol Syntilo, с режимом доставки через охлаждающий инструмент с давлением 15 бар. Критерий износа составил v_b,max = 0,38 мм. Результаты указаны ниже в таблице 9.

Результаты испытания 5 также показывают сравнение покрытой режущей пластины по данному изобретению (Опыт 17) со стандартным покрытием для этого типа модульных вставок для сверления, доступным на рынке (Опыты 18-20). Это испытание провели при средних скоростях резания. Обнаружили увеличение производительности на приблизительно шестьдесят три процента (63%). В этом испытании максимальный износ наблюдался на углу режущего инструмента.

Очевидно, что система износостойкого покрытия данного изобретения демонстрирует преимущества по сравнению с ранее известными системами покрытия. В частности, система износостойкого покрытия данного изобретения демонстрирует более низкую теплопроводность за счет применения выбранной последовательности покрытий и составов покрытий. Такие параметры влияют на теплопроводность всего покрытия и таким образом воздействуют на степень переноса тепла от границы раздела режущая пластина-стружка (или контактной зоны стружка-поверхность покрытия) на основу и границу раздела покрытие-основа. Уменьшение переноса тепла на основу и границу раздела покрытие-основа приводит к уменьшению (или минимизации) либо задержке формирования термической трещины в основе. Задержка или уменьшение термического растрескивания в основе обычно увеличивает срок службы режущей пластины.

Более конкретно, очевидно, что применение верхнего слоя покрытия из нитрида алюминия-хрома помогает препятствовать переносу значительного количества тепла от границы раздела режущая пластина-стружка на основу и границу раздела покрытие-основа. Одним результатом является то, что большая часть тепла остается на стружке. Другим результатом является то, что тепло, которое переносится на верхний слой покрытия, будет рассеиваться во всех направлениях в пределах слоя покрытия из нитрида титана-алюминия, так как перенос тепла происходит во всех направлениях (например, в перпендикулярном направлении, а также параллельно поверхности). Это уменьшает концентрацию тепла, образующегося на контактной области верхнее покрытие-стружка вблизи режущей кромки, распределяя тепло по большей части площади поверхности и уменьшая температуру от верха покрытия до границы раздела основа-покрытие. Сочетание слоев покрытия в многослойной-нанослойной последовательности покрытий в пределах базового слоя такое, что перенос тепла альтернативно блокируется или тепло рассеивается из основы. Наконец, присутствие другого слоя покрытия из нитрида алюминия-хрома между основой и нижним слоем помогает защищать основу и границу раздела покрытие-основа от переноса тепла.

Основной акцент в вышеуказанном описании специфических вариантов осуществления сделан на применение покрытых режущих пластин в операции по снятию материала со стружкообразованием. Тем не менее, следует понимать, что покрытые режущие пластины представляют собой не единственный специфический вариант осуществления покрытого изделия по данному изобретению. Существует точка зрения, что покрытые изделия охватывают другие покрытые изделия такие как, например, компоненты износа.

Патенты и другие документы, указанные в данном описании, включены в него путем ссылки. Другие варианты осуществления данного изобретения будут очевидны специалисту в данной области техники при рассмотрении описания или применении на практике изобретения, раскрытого здесь. Предполагается, что описание и примеры являются лишь иллюстративными и не ограничивают объем данного изобретения. Истинный объем и идея данного изобретения указаны в следующей формуле изобретения.

Реферат

Изобретение относится к режущей пластине с покрытием, предназначенной для снятия материала со стружкообразованием (варианты), способу нанесения системы покрытия на упомянутую режущую пластину и к изделию с покрытием. Режущая пластина или изделие включает основу 22 и покрытие. Одна система износостойкого покрытия 40 имеет нижний слой 42 и верхний слой 46, включающий алюминий, хром и азот. Система покрытия 40 также включает систему покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев 44, содержащую титан, алюминий, хром и азот. Система покрытия в виде промежуточных многократно повторяющихся нанослоев 44 включает множество наборов комбинаций чередующихся слоев 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62. Каждая из комбинаций чередующихся слоев 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 имеет базовый слой 64, включающий титан, алюминий и азот, и нанослойную область, имеющую множество наборов чередующихся нанослоев 68, 70, 72, 74, 76, 78. Каждый набор чередующихся нанослоев 68, 70, 72, 74, 76, 78 имеет один нанослой 82, имеющий алюминий, хром, титан и азот, и другой нанослой 84, имеющий алюминий, хром, титан и азот. Толщина базового слоя G меньше, чем толщина нанослойной области F. Технический результат заключается в повышении производительности операций по снятию режущим инструментом материала со стружкообразованием. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 5 ил., 9 табл.

Формула