Режущий инструмент - RU2466828C2

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области режущих инструментов с покрытием, имеющих острые кромки и выполненных из или содержащих спеченное тело, содержащее, по меньшей мере, один твердый материал и связующий материал, которые спекались при повышенных температуре и давлении для образования тела. Режущие инструменты включают, например, инструменты для фрезеровочных работ (фрезы), токарные инструменты, индексируемые режущие пластины, зубострогальные резцы, червячные фрезы, концевые фрезы, инструменты для нарезки резьбы, метчики.

Уровень техники

В прошлой и современной технологии спекания в порошковой металлургии твердосплавные режущие инструменты использовались как без покрытия, так и в условиях CVD- (химическое осаждение из паровой фазы) и PVD- (физическое осаждение из паровой фазы) покрытия. Процессы нанесения CVD-покрытия, в том числе MT-CVD (CVD при умеренной температуре или CVD при средней температуре), требуют высоких температур, обычно выше 950°C для HT-CVD (высокотемпературное CVD) или от 800°C до 900°C для MT-CVD, и химически агрессивной атмосферы процесса. Это имеет, наряду с другими, хорошо известные недостатки в том, что касается сопротивления поперечному разрыву (TRS) и низкой краевой прочности режущих инструментов, а также неизбежных термических трещин покрытия.

Более тщательное рассмотрение недостатков HT-CVD приведено ниже на примере покрытий цементированных карбидов.

a) Как отмечалось ранее, снижение TRS у тела может быть результатом того, что состояние поверхности до нанесения покрытия является состоянием с остаточным сжимающим напряжением, вызванным правильным процессом шлифования, что является выгодным; это состояние изменяется под действием высокой температуры, которая ослабляет это выгодное остаточное сжимающее напряжение. Таким образом, высокотемпературный отжиг оказывает этот эффект на карбидное основание независимо от покрытия. Однако, даже если основание отшлифовано неправильно, например, если оно подвергается «плохому» шлифованию, которое оставляет остаточное растягивающее напряжение или даже некоторые поверхностные трещины, высокотемпературная обработка, по существу, не имеет никакого благоприятного эффекта.

b) Дальнейшее уменьшение TRS на инструменте с покрытием происходит из-за присутствия термических трещин, вызванных несоответствием теплового расширения между покрытием и основанием после охлаждения с высокой температуры CVD. Трещины проходят по толщине покрытия и поэтому в определенных условиях резки могут инициировать усталостное разрушение.

c) В случае твердых WC-Co сплавов известно также, что кобальт диффундирует к поверхности при температурах примерно 850°C и выше, что связано также с обезуглероживанием и образованием эта-фазы в процессе CVD. Такая эта-фаза может, например, быть образована обезуглероживанием наружной области основания при начальном формировании первого CVD-слоя из TiC или TiCN, который является обычным нижним слоем для слоя Al₂O₃ CVD-покрытия. Область эта-фазы образует охрупченный слой с высокой пористостью, что опять же создает центры инициирования микрорастрескивания, а также имеет тенденцию к отслаиванию покрытия. По крайней мере этот недостаток HT-CVD был преодолен в MT-CVD, например, путем нанесения первого слоя TiCN при температуре примерно 850°C, тем самым сводя к минимуму образование эта-фазы на основании.

Таким образом, принимались различные меры, чтобы ослабить такие вредные эффекты. В патенте США 4610931 предложено использование тела из цементированного карбида, обогащенного связующим около краевой поверхности. В патентах США 5266388 и 5250367 для упомянутых обогащенных связующим инструментов предлагалось нанесение CVD-покрытия, находящегося в состоянии остаточного растягивающего напряжения, с последующим нанесением PVD-покрытия, находящегося в состоянии остаточного сжимающего напряжения.

Несмотря на то, что выше для иллюстрации недостатков CVD-процессов нанесения покрытий использовались цементированные карбиды, эти же или по меньшей мере близкие проблемы известны и для других оснований, имеющих спеченное тело. Металлокерамика также содержит связующие на основе Co, Ni (и других металлов, как Mo, Al и т.д.) и подвергается процессу спекания аналогично цементированным карбидам. Например, металлокерамику на основе TiCN в настоящее время нелегко покрывать посредством CVD, так как эти основания более активны к газообразным компонентам покрытия, что вызывает появление нежелательного реакционного слоя на границе раздела. Сверхтвердые инструменты из кубического нитрида бора используют методы спекания при высокой температуре и высоком давлении, отличные от методов, применяющихся для карбидов и металлокерамики. Однако они также содержат металлические связующие, такие как Co, Ni и др., склонные к высокотемпературным реакциям в процессах CVD-покрытия. Эти основания иногда покрывают TiN, TiAlN, CrAlN или другими системами покрытий методом PVD, в основном для указания на износ на режущих кромках. Однако такие покрытия могут обеспечить лишь ограниченную защиту от высокой температуры и высоких окислительных напряжений, вызванных высокими скоростями резки, применяющимися, например, на токарных станках согласно уровню техники.

Керамические инструментальные материалы на основе твердых Al₂O₃, Al₂O₃-TiC или Al₂O₃-Si₃N₄ (SiAlON), которые включают стеклообразные фазы в качестве связующего, представляют другой тип инструментов: инструменты, которые являются электроизоляционными и поэтому также сложными для покрытия традиционным PVD. Эти материалы спекаются в сочетании с HIP (горячее изостатическое прессование) в отличие от карбидов, спекаемых при пониженном давлении. Такие керамические пластины также не покрывают методом CVD, так как высокая температура может вызвать размягчение Si₃N₄-основания или заставит его потерять часть ударной вязкости, так как аморфная стеклообразная фаза связующего становится кристаллической. Однако непокрытые материалы могут при резке металла допускать взаимодействие между фазами связующего и материалом детали и поэтому подвержены язвенному износу, сужающему применение таких инструментов до ограниченного круга применений.

Поэтому для многих операций с высокими требованиями к ударной вязкости инструмента или с особыми требованиями к геометрии CVD-покрытия были частично или даже полностью заменены PVD-покрытиями. Примерами таких инструментов являются инструменты, применяемые для прерывистого резания, как фрезерование, или, в частности, имеющие острые кромки резьбонарезные инструменты и метчики. Однако из-за чрезвычайного высокого термохимического сопротивления и твердости в горячем состоянии оксидные CVD-покрытия, такие, например, как Al₂O₃ с α- и/или γ-кристаллической структурой, или толстые многослойные структуры, содержащие такие покрытия, все еще широко применяются, особенно для грубой/средней токарной обработки, резки и нарезания канавок для всех типов материалов и почти исключительно при токарной обточке чугуна. Такие покрытия до последнего времени не могли быть получены PVD-процессами из-за принципиальных ограничений процесса в случае электроизоляционных материалов и особенно оксидных покрытий.

Как хорошо известно специалистам в данной области техники, все упомянутые выше проблемы обычно имеют место и сфокусированы на режущих кромках, которые становятся тем острее, чем меньше радиус режущей кромки. Поэтому, чтобы избежать скалывания или разлома краев у инструментов с CVD-покрытием, на режущие кромки и пластины инструмента должны накладываться дополнительные геометрические ограничения, например, для цементированных карбидов с ограничением минимального радиуса режущей кромки 40 мкм. Кроме того, широко применяются дополнительные меры, такие как выполнение фасок, каскада, зачистных кромок или любой другой особой геометрии на боковом профиле, передней поверхности или обеих сторонах режущей кромки, но эти меры часто добавляют сложный в осуществлении технологический этап в производство спеченных оснований инструмента.

Раскрытие изобретения

Таким образом, целью изобретения является создание режущего инструмента с одно- или многослойным PVD-покрытием, имеющего острые кромки, который может одновременно проявлять удовлетворительную износостойкость и термохимическую стойкость, а также сопротивление скалыванию краев. Режущий инструмент содержит спеченное тело, выполненное из цементированного карбида, кубического нитрида бора, металлокерамического или керамического материала, имеющее режущую кромку с радиусом R_e, боковую и переднюю поверхность и одно- или многослойное покрытие, состоящее из PVD-покрытия, содержащего по меньшей мере один оксидный PVD-слой, покрывающий по меньшей мере части поверхности спеченного тела.

В одном варианте осуществления радиус кромки R_e меньше 40 мкм, предпочтительно меньше или равен 30 мкм. Покрытые части поверхности содержат по меньшей мере некоторые участки острой кромки спеченного тела. Следует отметить, что если после заточки инструмента не будет никакой дополнительной обработки, как хонингование, притупление или подобное, на спеченных инструментах можно получить радиус кромки R_e, равный или даже меньше 20 мкм. Эти инструменты могут также с выгодой быть покрыты оксидными PVD-покрытиями, так как здесь отсутствует какое-либо вредное влияние процесса нанесения покрытия, и ослабления режущей кромки не происходит.

Покрытие не имеет термических трещин и не содержит никаких галогенидов или других загрязняющих примесей, обусловленных технологическими газами CVD. Кроме того, покрытие или по меньшей мере оксидный PVD-слой могут не содержать инертных элементов, таких как He, Ar, Kr и т.п. Это может быть результатом вакуумного электродугового напыления в атмосфере чистого реакционноспособного газа. В качестве примера многослойного покрытия, осаждение адгезионного слоя и/или твердого износостойкого слоя может начинаться в атмосфере азота с последующим технологическим этапом, характеризующимся нарастающим потоком кислорода для получения градиента к оксидному покрытию, который сопровождается или за которым следует ослабление или отключение потока азота. Приложение слабого вертикального магнитного поля по площади поверхности мишени катодной дуги может быть выгодным в случае сильно изолирующих поверхностей мишени, образуемых, например, дуговыми процессами в атмосфере чистого кислорода. Подробные инструкции, как осуществлять такие процессы нанесения покрытий, можно найти в публикациях WO 2006-099758, WO 2006-099760, WO 2006-099754, а также в CH 1166/03, которые включены сюда посредством ссылки как часть данного описания.

Оксидный слой предпочтительно должен включать электроизолирующий оксид, содержащий по меньшей мере один элемент, выбранный из группы переходных металлов IV, V, VI группы Периодической системы и Al, Si, Fe, Co, Ni, Y, La. Двумя важными примерами таких материалов являются (Al_1-xCr_x)₂O₃ и Al₂O₃. Кристаллическая структура таких оксидов может меняться и может содержать кубическую или гексагональную решетку, как альфа (α), бета (β), гамма (γ), дельта (δ) фаза, или шпинельную структуру. Например, на инструмент могут наноситься оксидные слои, содержащие пленки разных оксидов. Несмотря на то, что многослойные покрытия могут содержать нитриды, карбонитриды, оксинитриды, бориды и т.п. упомянутых элементов, имеющих резкие или ступенчатые переходные зоны между определенными слоями разного элементного или стехиометрического состава, следует отметить, что наилучшую защиту от высокой температуры и/или высокого окислительного стресса можно обеспечить только покрытием, содержащим по меньшей мере один слой, состоящий из по существу чистых оксидов.

Предпочтительным вариантом выполнения оксидного слоя будет формирование термодинамически устойчивой фазы, структуры типа корунда, которая, например, может быть типа Al₂O₃, (AlCr)₂O₃, (AlV)₂O₃ или, более конкретно, типа (Me1_1-xMe2_x)₂O₃, при этом 0,2≤x≤0,98, где Me1 и Me2 являются разными элементами из группы Al, Cr, Fe, Li, Mg, Mn, Nb, Ti, Sb, V. Подробные инструкции, как создавать такие одно- или многослойные структуры корундового типа, можно найти в заявке CH 01614/06, которая включена сюда посредством ссылки.

В одном варианте осуществления изобретения покрытие содержит адгезионный слой, расположенный непосредственно на поверхности тела, и/или по меньшей мере один твердый износостойкий слой, находящийся между телом и оксидным слоем, или между двумя или более последовательными оксидными слоями, и/или поверх слоев покрытия. Здесь адгезионный слой, а также износостойкий слой предпочтительно содержит по меньшей мере один элемент из группы переходных металлов IV, V, VI Периодической системы элементов и Al, Si, Fe, Ni, Co, Y, La. Соединения износостойкого слоя должны также содержать N, C, O, B или их смесь, причем N, C и CN являются предпочтительными. Примерами таких износостойких слоев являются TiN, TiC, CrN, CrC, TiAlN, CrAlN, TiCrAlN, а также TiCN, CrCN, TiAlCN, CrAlCN, TiCrAlCN.

Соединения адгезионного слоя могут содержать N, C, O или их смесь, причем N и O являются предпочтительными. Примерами таких адгезионных слоев являются TiN, CrN, TiAlN, CrAlN, TiCrAlN или TiON, CrON, TiAlON, CrAlON, TiCrAlON. Толщина адгезионного слоя предпочтительно будет составлять от 0,1 до 1,5 мкм. Если адгезионный слой содержит тонкий металлический слой, расположенный непосредственно на поверхности тела, толщину металлического слоя следует выбирать от 10 до 200 нм для оптимальной связи инструмент-покрытие. Примерами таких металлических промежуточных слоев являются Ti, Cr, TiAl или CrAl. Полная толщина покрытия будет составлять от 2 до 30 мкм и для экономичности процесса нанесения покрытия - в большинстве случаев скорее от 3 до 10 мкм. Однако следует отметить, что в принципе инструменты могут быть выполнены с еще более толстыми покрытиями, если имеется необходимость в некоторых особых применениях, которыми могут быть, например, скоростное точение в случае чугуна.

Другой вариант осуществления изобретения может включать износостойкий слой, содержащий по меньшей мере одну композиционно-сегрегированную пленку, включающую фазу с относительно высокой концентрацией особого элемента, способствующего фазовой сегрегации кристаллических структур, как, например, Si или B, и фазу с относительно низкой концентрацией такого особого элемента. В одном варианте осуществления фаза с относительно высокой концентрацией особого элемента представляет собой аморфную или микрокристаллическую фазу. Такие пленки предпочтительно будут содержать нитрид или карбонитрид комбинации Cr и Si или Ti и Si.

Все слои могут быть осаждены в соответствии с фактической необходимостью с резкими или постепенно меняющимися от слоя к слою переходными зонами, образуя покрытия, имеющие дискретную или градиентную слоистую структуру. Толщина слоев может выбираться от нескольких микрон до нескольких нанометров, если такие структуры будут предпочтительными для определенных применений.

В отличие от режущих инструментов, содержащих оксидные CVD-слои, такие инструменты с PVD-покрытием не требуют обогащенных связующим оснований, чтобы минимизировать вредное влияние CVD-процесса на TRS (сопротивление поперечному разрыву) спеченного тела. Низкие температуры процесса в случае PVD-процессов и возможность нанесения покрытия или некоторых слоев, в частности, на вышеупомянутые износостойкие слои в состоянии сжимающего напряжения оказались полезной мерой от распространения трещин и риска скалывания краев. Таким образом, для большинства современных применений, связанных с резанием, больше нет необходимости в обогащенных связующим основаниях, что является очевидным упрощением для производства твердосплавных инструментов.

Однако в определенных условиях резания могут быть подходящими обогащенные твердосплавные марки даже с PVD-покрытием, например, если параметры резки должны быть расширены так, чтобы прикладывались более высокие усилия подачи, и были бы предпочтительны даже более высокие TRS.

Из-за потенциально более высокого TRS таких твердосплавных марок с PVD-покрытиями для особых высококачественных инструментальных применений могут быть получены не только режущие инструменты, имеющие очень маленький радиус кромки, но и режущие инструменты, имеющие меньший радиус вершины или угол при вершине. Например, по сравнению с обычными твердосплавными пластинами, имеющими обычно радиус вершины от минимум 0,2 мм (0,008 дюйма) до 2,4 мм (0,094 дюйма), покрытия могут быть нанесены даже на такие радиусы, как 0,15, 0,10, 0,05 и 0,01 мм, и испытаны в обычных условиях чистовой обточки без признаков преждевременного откалывания краев.

Благодаря присущим PVD-процессам «геометрическим» свойствам можно придать дополнительные свойства покрытия некоторым спеченным телам с простой геометрией, как, например, пластинам, используя всего лишь определенные зажимные устройства, посредством которых определенные зоны тела открываются действию «прямого» потока ионов и/или нейтральных атомов (далее называемого потоком частиц) от дугового источника или распылительного источника, тогда как другие зоны испытывают удары по существу только под скользящим углом или только непрямое падение. В данном контексте «прямой» означает, что существенная часть или большинство частиц, испускаемых дуговым источником, ударяется о поверхность под углом примерно 90±15°. Поэтому рост слоя на таких зонах происходит быстрее, чем рост на зонах, открытых существенно «непрямому» потоку частиц. Этот эффект может использоваться для нанесения покрытий переменной толщины в процессе нанесения PVD-покрытия, что совершенно отличается от CVD-процессов, обеспечивающих однородную толщину покрытия на любой поверхности независимо от геометрических эффектов из-за разного позиционирования основания/источника.

Например, используя тройной вращающийся шпиндель для фиксации квадратных пластин 13×13×5 мм с отверстием в центре, чередующихся с 8-миллиметровыми проставками, можно установить отношение толщины боковой поверхности (d_Flank) к толщине передней поверхности (d_Rake) примерно 2±0,5 для пластин по всей длине основания поворотного магазина (примерно 500 мм для промышленной установки для нанесения покрытий Oerlikon типа RCS или примерно 900 мм для имеющейся в продаже установки для нанесения покрытий Oerlikon BAI 1200). Измерения толщины проводились в середине боковой поверхности, а для передней поверхности - на биссектрисе, соединяющей две противоположные вершины пластины на расстоянии 2 мм от режущих кромок, образующих угол при вершине.

Такие пластины, имеющие частное Q_R/F=d_Rake/d_Flank<1, где d_Rake - общая толщина покрытия на передней поверхности, а d_Flank - общая толщина покрытия на боковой поверхности, особенно удобны для фрез, которые из-за ударного напряжения при фрезеровании выигрывают от повышенной толщины PVD-покрытия на боковой поверхности. Этот эффект усиливается PVD-покрытиями, имеющими высокое остаточное напряжение, которое можно контролировать такими параметрами процесса, как смещение основания, полное давление и т.п.

В отличие от фрезерования износостойкость при обточке выигрывает от большей толщины покрытия на передней поверхности из-за высокого абразивного и термохимического износа, вызванного ходом пластины. Поэтому в этом случае частное Q_R/F должно быть больше единицы: Q_R/F=d_Rake/d_Flank>1. Что касается пластин, такое распределение покрытия может быть получено с помощью зажимов, открывающих переднюю фазу прямому потоку частиц от дуги или источника распыления. Например, могут использоваться двойные вращающиеся магнитные зажимы, чтобы открыть переднюю поверхность твердосплавных пластин прямо на источник. Этот магнитный зажим приводит в результате к дополнительному приросту толщины у режущей кромки, на что можно влиять такими технологическими параметрами, как смещение основания, и что может использоваться для улучшения рабочих характеристик инструмента. Для немагнитных режущих пластин при необходимости могут применяться зажимные скобы или сцепные устройства. Кроме того, для токарных инструментов особенно эффективной оказалась структура покрытия, содержащая износостойкий слой, выполненный из TiN, TiC или TiCN, TiAlN или TiAlCN, AlCrN или AlCrCN, расположенных между телом и оксидным слоем.

Режущие инструменты согласно изобретению применимы для широкого круга различных материалов обрабатываемых деталей, как, например, все типы металлов, например цветные металлы, но особенно для черных металлов, чугуна и т.п. Особые инструменты для фрезерования или токарной обработки таких материалов могут быть оптимизированы, как упоминалось выше. Это делает PVD-покрытия серьезным конкурентом современным CVD-покрытиям, даже еще в таких не затронутых до настоящего времени областях CVD, как обточка, в частности черновая обработка и скоростная чистовая обработка сталей и чугуна.

Во многих применениях, связанных с резанием, наилучшим решением оказались инструменты, у которых оксидный слой является наиболее удаленным слоем системы покрытий. Это относится, в частности, к зубострогальным резцам, червячным фрезам или разным типам концевых фрез, включая индексируемые концевые фрезы.

Следующие примеры предназначены для демонстрации благоприятных эффектов изобретения для некоторых частных инструментов и покрытий и никоим образом не предназначены для ограничения объема изобретения такими частными примерами. Следует отметить, что было проведено несколько испытаний для сравнения с хорошо известными применениями, где известно, что инструменты с PVD-покрытиями в течение длительного времени превосходят CVD-покрытия, как, например, при нарезании резьбы и сверлении в металлических материалах разного типа, для фрезерования цветных металлов с и без применения смазочно-охлаждающей жидкости, а также для определенных применений с фрезерованием и токарной обработкой стали или суперсплавов. Для такого фрезерования стали применялись низкие или средние скорости резки до 100 м/мин, но высокие скорости подачи от 0,2 до 0,4 мм/зуб. В большинстве случаев инструменты согласно изобретению вели себя так же хорошо или даже лучше, чем хорошо известные инструменты с PVD-покрытием на основе TiCN или TiAlN. Однако одной целью изобретения было заменить CVD-покрытия в применениях с высоким термохимическим и/или абразивным износом, как, например, при скоростном фрезеровании железа, стали и закаленных материалов, а также при токарной обработке стали, железа, как, например, чугуна, суперсплавов и закаленных материалов.

PVD-покрытия в следующих примерах были осаждены в катодно-дуговом процессе; температура осаждения составляла от 500°C для сравнительных TiCN-покрытий и до 550°C для оксидных покрытий. Для оксидных PVD-покрытий использовалось импульсное смещение тела и прикладывалось малое вертикальное магнитное поле, имеющее вертикальную составляющую от 3 до 50 гаусс и существенно меньшую горизонтальную составляющую. В испытаниях 25, 28, 35, 37 дополнительный импульсный сигнал накладывался на постоянный ток дугового источника из Al_0,6Cr_0,4 (Al_0,6V_0,4). Подробности таких или близких подходящих способов нанесения оксидных покрытий можно найти в публикации WO 2006-099758 и в других упоминавшихся выше документах, включенных посредством ссылки. Толщина промежуточных слоев TiN и TiCN между основанием и верхним оксидным слоем составляла от 0,5 до 1,5 мкм.

Сравнительные CVD-покрытия были осаждены методом MT-CVD при температурах осаждения 850°C.

Пример A) Фрезерование легированной стали AISI 4140 (DIN 1.7225)

Пример B) Фрезерование легированной стали AISI 4140 (DIN 1.7225)

Пример C) Фрезерование легированной стали AISI 4140 (DIN 1.7225)

Пример C, эксперимент 14 ясно показывает отрицательное влияние CVD-процесса на необогащенные твердосплавные марки, что объясняется упомянутыми эффектами процесса. С другой стороны, благоприятное влияние обогащенной кобальтом поверхностной зоны демонстрируют лишь ограниченные эффекты с PVD-покрытиями. Преимущество PVD-покрытий, содержащих оксидный слой, очевидно, как и в примерах A и B.

Пример D) Токарная обработка нержавеющей стали AISI 430F (DIN 1.4104)

Помимо влияния типа покрытия и материала, в случае оксидных PVD-покрытий можно видеть явное благоприятное влияние толщины слоя. Тем не менее, даже самые тонкие оксидные PVD-покрытия демонстрируют лучшие характеристики, чем толстое MT-CVD-покрытие испытания 22.

Пример E) Токарная обработка серого чугуна

Пример F) Токарная обработка ковкой стали AISI 4137H (DIN 1.7225)

Примерами A-F удалось показать, что оксидные покрытия можно с выгодой наносить на инструменты с острыми кромками путем PVD-процессов. Острая кромка является предпочтительной, так как она приводит к меньшей силе резки, сниженным температурам режущих кромок, к более высокому качеству обработки поверхности детали и к существенному повышению срока службы инструмента.

Реферат

Изобретение относится к режущим инструментам с покрытием. Режущий инструмент содержит спеченное тело из цементированного карбида, кубического нитрида бора, металлокерамики или керамики с режущей кромкой с радиусом Re, боковой и передней поверхностью и однослойное или многослойное PVD-покрытие, покрывающее по меньшей мере часть поверхности спеченного тела и содержащее по меньшей мере один оксидный слой, нанесенный катодно-дуговым осаждением и покрывающий, по меньшей мере, часть поверхности спеченного тела. При этом радиус кромки Re меньше 40 мкм, предпочтительно меньше или равен 30 мкм. Технический результат заключается в сочетании удовлетворительной износостойкости и термохимической стойкости, а также в сопротивлении к скалыванию краев режущего инструмента. 28 з.п. ф-лы, 6 табл.

Формула