Система покрытия хпо, включающая материалы, содержащие оксид алюминия и/или титан, и способ ее получения
Изобретение относится к покрытию, нанесенному химическим осаждением из газовой фазы на режущие пластины, а также к способам изготовления покрытия и основы режущей пластины с покрытием. Основа режущей пластины с покрытием содержит субстрат и систему покрытия на субстрате, содержащую слои. Слой карбонитрида титана содержит зерна карбонитрида титана, первый титан/алюминийсодержащий слой содержит первые титан/алюминийсодержащие зерна, слой альфа-оксида алюминия содержит зерна альфа-оксида алюминия. Указанные слои нанесены в течение выбранного времени так, чтобы остановить рост упомянутых зерен при предварительно выбранном размере зерна. Толщина слоя карбонитрида титана находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,5 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 25 микрометрам. Первый титан/алюминийсодержащий слой и слой альфа-оксида алюминия имеют толщину, находящуюся в интервале между нижним пределом, равным выше нуля микрометров и верхним пределом, равным примерно 5 микрометрам. Первый титан/алюминийсодержащий слой покрытия и слой покрытия альфа-оксида алюминия образуют последовательность покрытия. Система покрытия содержит множество последовательностей покрытия, которое нанесено после нанесения слоя покрытия карбонитрида титана. Получаются режущие пластины с улучшенными эксплуатационными свойствами, такими как износоустойчивость и улучшенная устойчивость к абразивному износу. 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 8 ил., 5 табл.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к покрытию, нанесенному путем химического осаждения из газовой фазы (химического парофазного осаждения (ХПО) от англ. chemical vapor deposition (CVD)), и к изделиям с покрытием, в частности к режущим пластинам с покрытием, которые используются для съема материала, таких как, например, механическая обработка, обтачивание и измельчение. Более конкретно настоящее изобретение относится к основе с покрытием, такой как, например, режущая пластина с покрытием, где система покрытия включает слой покрытия из оксида алюминия и титансодержащего материала (например, карбонитрида титана и/или оксикарбонитрида титана алюминия), в результате чего слой покрытия, который наносят путем ХПО, обладает приемлемой адгезией и сопротивлением абразивному изнашиванию, а также к способам изготовления покрытия и основы с покрытием.
Вплоть до настоящего времени основы с покрытием, такие как, например, режущие пластины с покрытием, используют в применениях для съема материала. Слои покрытия типично содержат твердые огнеупорные материалы, которые проявляют свойство износоустойчивости. Одна из главных целей применения покрытия на режущей пластине состоит в продлении срока службы режущей пластины. Существуют системы покрытия, которые включают слой покрытия из оксида алюминия и/или карбонитрида титана, и примеры систем этого покрытия описаны в некоторых из приведенных ниже патентных документов.
Опубликованная патентная заявка США № US2003/0008181 A1 (Ljungberg) относится к режущему инструменту с покрытием, который имеет покрытие оксидом алюминия с тонкоизмельченными равноосными зернами. В патенте США № 4984940 (Bryant et al.) и Европейском патенте №0463000 B1 раскрыто применение тонких слоев нитрида титана, циркония и/или гафния для разделения слоев оксида алюминия, где оно включает способ прерывания осаждения материала покрытия. В опубликованной патентной заявке США № US2002/0122701 A1 (Ljungberg et al.) раскрыто, что нестолбчатый оксид алюминия может быть осажден посредством прерывания осаждения оксида алюминия.
В патенте США № 5700569 (Ruppi) раскрыта система покрытия, включающая слои оксида алюминия. Если оксид алюминия представляет собой каппа-оксид алюминия, имеется "модифицирующий слой", осаждаемый на поверхности слоя, лежащего ниже слоя оксида алюминия, где этот модифицирующий слой может содержать (AlTi)(O,C,N).
В Европейском патенте № 0980917 B1 (Toshiba Tungaloy) раскрыта система покрытия, которая включает TiN/Ti(C,N)/(Ti,Al)(C,N,O)+Al2O3/ Al2O3/TiN. Патент США № 5545490 (Oshika) относится к режущему инструменту с покрытием, которое включает последовательность покрытия, которая включает TiN/TiCN/TiCNO/Al2O3. Слой TiCNO представляет собой тонкий слой, который отделяет TiCN от слоя оксида алюминия. В патентной заявке PCT № WO 99/58738 (Valenite, Inc.) раскрыто изделие из цементированного карбида или керамики, в котором представлено многослойное покрытие ХПО. В одном воплощении покрытие включает слой карбонитрида титана вблизи поверхности цементированного карбидного субстрата, многослойную структуру покрытия из чередующихся ультратонких слоев карбонитрида титана и оксида алюминия и наружный слой из нитрида титана.
Патент США № 4714660 (Gates, Jr.) относится к твердым покрытиям на цементированном карбидном субстрате. Это покрытие может содержать оксикарбонитрид титана-алюминия (TiwAlxOyCzNu), где w, x, y, z и u представляют собой молярные доли Ti, Al, O, C и N, соответственно. В опубликованной патентной заявке США № US2002/0176755 A1 (Ruppi) показаны множественные чередующиеся слои из MT-TiCN и оксида алюминия (каппа-фаза и гамма-фаза). Патент США № 6333099 B1 (Strondl et al.) относится к чередующимся последовательностям покрытия, которое содержит оксид алюминия и которое может представлять собой карбид или нитрид титана-алюминия.
Патентные заявки PCT, опубликованные как WO99/29920 (Sandvik AB) и WO99/29921, относятся к периодической системе покрытия, в которой оксид алюминия составляет один из чередующихся слоев покрытия. Другой слой составляет карбид или нитрид, где металлы (M и L) могут включать Ti и Al. В патентной заявке PCT, опубликованной как WO00/52225 (Kennametal, A TOOL HAVING A MULTILAYER COATING COMPRISING MULTIPLE MT CVD LAYERS) раскрыты множественные слои материала, нанесенного путем УТ ХПО (умеренно-температурного химического парофазного осаждения), разделенные промежуточным слоем.
В патенте США № 5700551 (Kukino et al.) раскрыт модулированный слой покрытия. На фиг. 4 представлено периодическое изменение в составе покрытия. Европейский патент № 0709483 B1 (Sumitomo Electric Industries) относится к системе покрытия, которое представляет собой композиционно модулированную область. На фиг. 17 изображена система модулированного покрытия.
Патент США № 5330853 (Hofmann et al.) относится к системе покрытия TiAlN. Слои различаются по содержанию азота, и показан градиент азота по всей толщине слоя покрытия. В патенте США № 5436071 (Odani et al.) и в патенте США № 5920760 (Yoshimura et al.) раскрыты покрытия УТ ХПО TiCN. В Европейском патенте № 1026271 B1 (Sandvik AB, авторы изобретения Palmqvist et al.) раскрыты цементированные карбидные (добавки WC-Co) пластины, которые имеют следующую последовательность покрытия: TiN/MT-TiCN/α-Al2O3/TiN. В патенте США № 4028142 (Bitzer et al.) и в патенте США № 4196233 (Bitzer et al.) раскрыты способы получения покрытий УТ ХПО.
Патент США № 5164051 (Komaki et al.) относится к подготовке поверхности субстрата перед покрытием. Эти стадии включают электролитическое полирование поверхности и крацевание поверхности. Субстрат может представлять собой WC-Co, а покрытие представляет собой алмаз. Патент США № 5380408 (Svensson) относится к травлению для удаления кобальта с поверхности субстрата, а также к механическим обработкам, таким как струйная очистка. В патенте США № 6110240 (Saguchi et al.) раскрыта предварительная обработка субстрата перед нанесением алмазного покрытия. В патенте США № 5648119 (Grab et al.) раскрыта (кол. 11, строки 55-58) буферовка субстрата с алмазным покрытием.
Как очевидно на основании приведенных выше документов, в прошлом использовано множество различных систем покрытия для режущей пластины с покрытием. Согласно этим патентным документам каждая из этих систем покрытия дает определенные преимущества. Даже, несмотря на то, что существовали системы покрытия, предполагающие определенные преимущества, все же остается желание продлить срок службы, а также усовершенствовать эксплуатационные свойства режущих пластин с покрытием.
Желание продлить срок службы, а также усовершенствовать эксплуатационные свойства особенно актуально в случае режущих пластин с покрытием, в котором используют слои покрытия оксидом алюминия и/или карбонитридом титана, нанесенные с помощью ХПО, поскольку эти материалы обладают хорошими свойствами износоустойчивости. Слои покрытия оксидом алюминия включают слои покрытия из мелкозернистого оксида алюминия, которые проявляют отличную поддержку при абразивном износе. То же верно для слоев покрытия из карбонитрида титана, включающих слои покрытия из мелкозернистого карбонитрида титана, в том, что эти слои покрытия проявляют отличную поддержку при абразивном износе. В контексте и в целях данного описания и формулы изобретения считают, что мелкозернистая микроструктура проявляет средний размер зерна, равный или меньший чем примерно один микрометр. Однако один из недостатков этих покрытий состоял в том, что при осаждении более толстого покрытия зернистая структура становится более крупнозернистой по мере увеличения толщины покрытия. Более крупнозернистая структура типично снижает абразивную устойчивость, поэтому более толстые покрытия из оксида алюминия и/или карбонитрида титана не обеспечивали улучшенную абразивную устойчивость.
Таким образом, было бы весьма желательно разработать усовершенствованную режущую пластину с покрытием, где покрытие ХПО включает систему покрытия, которая включает слой покрытия из оксида алюминия и слой покрытия из титансодержащего материала (например, оксикарбонитрида титана алюминия и/или карбонитрида титана алюминия), и эта режущая пластина полезна в применениях для съема материала, где эта режущая пластина обладает продленным сроком службы, а также проявляет усовершенствованные эксплуатационные свойства.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одной его форме изобретение составляет основу с покрытием, которая включает субстрат и систему покрытия на субстрате. Система покрытия включает слой покрытия карбонитрида титана, который содержит зерна карбонитрида титана. Слой покрытия карбонитрида титана наносят путем химического парофазного осаждения в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен карбонитрида титана при предварительно выбранном размере зерна. Толщина слоя покрытия карбонитрида титана находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,5 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 25 микрометрам. Система покрытия дополнительно включает первый титан/алюминийсодержащий слой покрытия, который содержит первые титан/алюминийсодержащие зерна. Первый титан/алюминийсодержащий слой покрытия наносят путем химического парофазного осаждения в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост первых титан/алюминийсодержащих зерен при предварительно выбранном размере зерна. Толщина первого титан/алюминийсодержащего слоя покрытия находится в интервале между нижним пределом, равным числу микрометров выше нуля, и верхним пределом, равным примерно 5 микрометрам. Первый алюминий/титансодержащий слой покрытия находится дальше от субстрата, чем слой покрытия карбонитрида титана. Эта система покрытия, кроме того, дополнительно включает слой покрытия оксида алюминия, который содержит зерна оксида алюминия, где слой покрытия оксида алюминия наносят путем химического парофазного осаждения в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен оксида алюминия при предварительно выбранном размере зерна. Толщина слоя покрытия оксида алюминия находится в интервале между нижним пределом, равным числу микрометров выше нуля, и верхним пределом, равным примерно 5 микрометрам. Слой покрытия оксида алюминия находится дальше от субстрата, чем первый алюминий/титансодержащий слой покрытия.
Еще в одной другой его форме изобретение составляет основу с покрытием, которая включает субстрат и систему покрытия на субстрате. Эта система покрытия включает промежуточную область покрытия, которая имеет толщину и первую композиционную составляющую, содержащую алюминий и кислород, и вторую композиционную составляющую, содержащую титан и углерод и азот. Первый композиционный компонент варьирует между максимумом и минимумом первым способом, а второй композиционный компонент варьирует между максимумом и минимумом вторым способом. Когда первый композиционный компонент находится при максимуме, то второй композиционный компонент находится при минимуме, и, когда второй композиционный компонент находится при максимуме, то первый композиционный компонент находится при минимуме. Эта система покрытия дополнительно включает базовый слой покрытия из нитрида титана, нанесенный на субстрат путем химического парофазного осаждения. Промежуточная область покрытия находится дальше от субстрата, чем базовый слой покрытия.
Еще в одной другой его форме изобретение составляет способ изготовления основы с покрытием, включающий стадии: получения субстрата; нанесения путем химического парофазного осаждения слоя покрытия карбонитрида титана, содержащего зерна карбонитрида титана, в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен карбонитрида титана при предварительно выбранном размере зерна и регулировать толщину слоя покрытия карбонитрида титана так, чтобы она находилась в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,5 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 25 микрометрам; нанесения путем химического парофазного осаждения первого титан/алюминийсодержащего слоя покрытия, содержащего первые титан/алюминийсодержащие зерна, в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост первых титан/алюминийсодержащих зерен при предварительно выбранном размере зерна и регулировать толщину первого титан/алюминийсодержащего слоя покрытия так, чтобы она находилась в интервале между нижним пределом, равным числу микрометров выше нуля, и верхним пределом, равным примерно 5 микрометрам, и где первый алюминий/титансодержащий слой покрытия находится дальше от субстрата, чем слой покрытия карбонитрида титана; и нанесения путем химического парофазного осаждения слоя покрытия оксида алюминия, содержащего зерна оксида алюминия, в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен оксида алюминия при предварительно выбранном размере зерна и регулировать толщину слоя покрытия оксида алюминия так, чтобы она находилась в интервале между нижним пределом, равным числу микрометров выше нуля, и верхним пределом, равным примерно 5 микрометрам, и слой покрытия оксида алюминия находится дальше от субстрата, чем первый алюминий/титансодержащий слой покрытия.
Еще в одной другой его форме изобретение составляет способ изготовления основы с покрытием, включающий стадии: получения субстрата; нанесения путем химического парофазного осаждения базовой системы покрытия на субстрат; нанесения путем химического парофазного осаждения первой последовательной системы покрытия, включающей первый титансодержащий слой покрытия и второй алюминийсодержащий слой покрытия; и нанесения на первую последовательную систему покрытия путем химического парофазного осаждения второй последовательной системы покрытия, включающей третий алюминийсодержащий слой покрытия и четвертый титансодержащий слой покрытия.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Далее приведено краткое описание графических материалов, которые составляют часть данной патентной заявки:
ФИГ. 1 представляет собой изометрическое изображение режущей пластины с покрытием, которая имеет систему покрытия, нанесенного на субстрат, где часть системы покрытия удалена, чтобы показать субстрат;
ФИГ. 2 представляет собой вид в поперечном разрезе угла режущей пластины с покрытием, который показывает в схематической форме систему покрытия действительного Примера 1;
ФИГ. 3 представляет собой цветную микрофотографию, которая включает 10-микрометровую шкалу и на которой показан поперечный срез системы покрытия Примера 1;
ФИГ. 4 представляет собой вид в поперечном разрезе угла режущей пластины с покрытием, который показывает в схематической форме систему покрытия действительного Примера 2;
ФИГ. 5 представляет собой цветную микрофотографию, которая включает 10-микрометровую шкалу и на которой показан поперечный срез системы покрытия Примера 2;
ФИГ. 6 представляет собой вид в поперечном разрезе угла режущей пластины с покрытием, который показывает в схематической форме предложенное воплощение системы покрытия;
ФИГ. 7 представляет собой вид в поперечном разрезе угла режущей пластины с покрытием, который показывает в схематической форме другое предложенное воплощение системы покрытия; и
ФИГ. 8 представляет собой вид в поперечном разрезе угла режущей пластины с покрытием, который показывает в схематической форме еще одно другое предложенное воплощение системы покрытия.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Со ссылкой на графические материалы показан ряд конкретных воплощений режущей пластины с покрытием (режущая пластина с покрытием в общем виде показана на ФИГ. 1), где каждое из этих конкретных воплощений подробно обсуждено здесь ниже. Более конкретно ФИГ. 2-3 относятся к первому конкретному воплощению, которое представляет собой пример действительного покрытия, то есть Пример 1. ФИГ. 4-5 относятся ко второму конкретному воплощению, которое представляет собой пример действительного покрытия, то есть Пример 2. ФИГ. 6 относится к предложенному третьему конкретному воплощению системы покрытия. ФИГ. 7 относится к предложенному четвертому конкретному воплощению системы покрытия. ФИГ. 8 относится к предложенному пятому конкретному воплощению системы покрытия.
Принципиальное различие между каждым из этих конкретных воплощений остается в системе покрытия. Субстрат для каждого из этих конкретных воплощений может быть выбран из одной и той же группы материалов. В этом отношении материалы для субстрата включают, но не ограничены ими, цементированные карбиды (например, карбидные материалы вольфрама-кобальта), керамики (например, керамики на основе нитрида кремния, керамики на основе SiAlON, керамики на основе карбонитрида титана, керамики на основе диборида титана и керамики на основе оксида алюминия), металлокерамики (например, металлокерамики, которые имеют никелево-кобальтовый связующий материал и высокий уровень титана, а также могут дополнительно включать карбид вольфрама и карбид титана), и стали.
Авторы изобретения также считают, что субстрат может проявлять градиентные составы, в частности, по концентрации связующего материала, концентрации карбонитрида и концентрации карбида. Примеры субстратов могут включать цементированный карбидный субстрат, который представляет поверхностную зону обогащения связующим материалом, или цементированный карбидный субстрат, который проявляет поверхностную зону истощения связующего материала, обогащенную твердым раствором карбида.
Другими примерами материалов субстрата являются поликристаллический кубический нитрид бора (ПКНБ) (примеры материалов ПКНБ включают материалы с керамическим или металлическим связующим материалом) и другие сверхтвердые материалы. Материалы ПКНБ можно использовать в связи с режущими пластинами двумя основными путями. Для одного пути пластины ПКНБ могут быть припаяны к основе режущей пластины. Для второго пути пластины ПКНБ могут представлять собой полностью верхние пластины.
Для каждого из конкретных воплощений изобретения одним из предпочтительных субстратов является поликристаллический кубический нитрид бора (ПКНБ). Другой предпочтительный материал субстрата основан на карбиде вольфрама с кобальтом в качестве связующего материала, который содержит между примерно 0,1% мас./мас. и примерно 20% мас./мас. кобальта и остальную часть карбида вольфрама. Возможно, что такой карбид вольфрама с кобальтом в качестве связующего материала может включать добавки, такие как титан, тантал, ниобий, цирконий, гафний, ванадий и хром, либо по отдельности, либо в любой комбинации, где эти добавки могут находиться в форме карбидов, и/или нитридов, и/или карбонитридов, а также другие добавки, типично добавляемые в цементированные карбиды.
Для каждого из конкретных воплощений изобретения должно быть понятно, что перед осаждением системы покрытия поверхность субстрата можно обработать таким образом, чтобы улучшить адгезию системы покрытия к субстрату. Примеры предварительных обработок включают процесс для удаления или уменьшения уровня связующего материала на поверхности субстрата. В случае карбида вольфрама с кобальтом в качестве связующего материала посредством такой предварительной обработки следует удалить кобальт с поверхности субстрата или обработать поверхность для улучшения адгезии покрытия. Другой пример предварительной обработки должен представлять собой процесс, посредством которого механически обрабатывают поверхность субстрата так, чтобы сделать поверхность субстрата более грубой, чтобы подготовить ее к получению хорошей адгезии покрытия.
Должно быть понятно, что в некоторых случаях поверхность системы покрытия можно подвергнуть обработке после осаждения так, чтобы улучшить внешний вид, и/или гладкость, и/или адгезию. Один из примеров обработок состоит в удалении неровностей с поверхности системы покрытия так, чтобы уменьшить или свести к минимуму какие-либо места концентрации напряжений. Другой пример обработки состоит в преимущественном удалении покрытия (или части слоя покрытия) с избранных областей режущей пластины. Поверхностная обработка типично уменьшает растягивающие напряжения или увеличивает сжимающие напряжения в слое (слоях) покрытия. Например, в патентной публикации WO 02/077312 (Widia GmbH) раскрыта дробеструйная очистка покрытия (ФПО, или ФХПО, или ХПО) для увеличения внутреннего сжимающего напряжения или для уменьшения внутреннего растягивающего напряжения в наружных слоях покрытия.
Кроме того, должно быть понятно, что для улучшения адгезии слоев покрытия могут быть получены микроскопически грубые границы раздела между каждым из слоев покрытия. Эти микроскопически грубые границы раздела могут быть получены путем регуляции параметров ХПО (или умеренно-температурного химического парофазного осаждения [УТ-ХПО]) так, чтобы способствовать высоким скоростям роста слоев покрытия. Высокие скорости роста в процессах ХПО (включая процессы УТ-ХПО) могут иметь место в результате использования относительно высоких температур осаждения и/или относительно высоких давлений. В качестве другой альтернативы для улучшения адгезии между слоями покрытия в процессе осаждения состав может быть постепенно изменен между прилежащими слоями так, чтобы уменьшить существование резкой границы по составу между прилежащими слоями покрытия.
В отношении способа получения каждого из конкретных воплощений должно быть понятно, что для каждой из стадий этого способа давление и длительность стадии способа можно варьировать так, чтобы достичь желаемой толщины покрытия. Вообще говоря, в настоящем способе используют концепцию прерывания стадии способа, а затем осуществления этого прерывания другой стадией, которая имеет изменение (и иногда значительное изменение) в составе покрытия или в параметрах покрытия. Эти прерывания приводят в результате к слоям покрытия, в которых зерна повторно образуют зародыши в каждом слое и, следовательно, проявляют мелкий размер зерна (то есть средний размер зерна, равный или меньший чем один микрометр).
Для всех действительных примеров, а именно Примеров 1 и 2, материал в каждом слое покрытия проявлял мелкий размер зерна (то есть средний размер зерна, равный или меньший чем один микрометр). Имело место прерывание в нанесении каждого из слоев покрытия, и это привело в результате к тонкоизмельченной структуре зерна.
На фиг. 1 проиллюстрировано воплощение режущей пластины с покрытием (которая является одной формой основы с покрытием), которое в целом обозначено 20. Режущая пластина 20 с покрытием содержит субстрат 22. Часть покрытия режущей пластины 20 с покрытием удалена, чтобы показать субстрат 22 на фиг. 1. Субстрат 22 может быть изготовлен из любого из ряда приемлемых материалов субстрата. Режущая пластина 20 с покрытием имеет боковую поверхность 24 и скошенную поверхность 26. Боковая поверхность 24 и скошенная поверхность 26 пересекаются с образованием режущего края 28 на их стыке. Должно быть понятно, что режущая пластина с покрытием может принимать геометрические формы, которые отличаются от геометрической формы, показанной на фиг. 1. Например, хотя это не проиллюстрировано, для некоторых геометрических форм режущих пластин режущая пластина с покрытием может содержать центральную апертуру, которую используют для присоединения режущей пластины с покрытием к держателю инструмента или тому подобному.
Со ссылкой на фиг. 2 в поперечном разрезе показано первое конкретное воплощение системы покрытия (действующий Пример 1) в углу режущей пластины с покрытием. Система покрытия действительного Примера 1 проиллюстрирована в схематической форме на фиг. 2 и в целом обозначена в скобках как 36. Как обсуждено ниже, фиг. 3 представляет собой микрофотографию, на которой показана в поперечном разрезе действующая система покрытия, которая схематически показана на фиг. 2.
Со ссылкой на систему 36 покрытия и, в частности, на фиг. 2 базовый или первый слой 38 покрытия (или базовый слой покрытия) содержит нитрид титана, нанесенный путем химического парофазного осаждения (ХПО) на поверхность субстрата 22. Эта стадия представляет собой стадию 1 в таблице 1. Для всех слоев покрытия фиг. 2 газы, которые присутствовали в одно и то же или в другое время в течение конкретной стадии процесса и температура конкретной стадии процесса, приведены здесь ниже в таблице 1. Толщина базового слоя 38 покрытия имеет интервал, который имеет нижний предел выше нуля микрометров и верхний предел, равный примерно 5 микрометрам.
Второй слой 40 покрытия наносят на базовый слой 38 покрытия, и он включает слой покрытия карбонитрида титана, который содержит зерна карбонитрида титана, нанесенный путем умеренно-температурного химического парофазного осаждения (УТ-ХПО) при температуре между 880 и 900°C. Эта стадия представляет собой стадию 2 в таблице 1. Должно быть понятно, что для стадий УТ-ХПО процесса температура осаждения может находиться в интервале между примерно 700 и примерно 920°C градусами Цельсия. В качестве альтернативного интервала температура осаждения УТ-ХПО может находиться в интервале между примерно 850 и примерно 920°C. В качестве еще одного альтернативного интервала температура осаждения УТ-ХПО может находиться в интервале между примерно 870 и примерно 910°C. Второй слой покрытия 40 наносят в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен карбонитрида титана при предварительно выбранном размере зерна. Толщина второго слоя 40 покрытия имеет интервал, который имеет нижний предел, равный примерно 0,5 микрометра, и верхний предел, равный примерно 25 микрометрам. В качестве альтернативы толщина второго слоя 40 покрытия имеет интервал, который имеет нижний предел, равный примерно 1 микрометру, и верхний предел, равный примерно 20 микрометрам. Должно быть понятно, что состав карбонитрида титана может варьировать по всей толщине слоя 40 покрытия. В этой связи отношение углерода к азоту (C:N) может меняться с расположением в слое 40 покрытия. В качестве одной альтернативы карбонитрид титана может быть обогащен углеродом на дне и вблизи дна слоя покрытия и может быть обогащен азотом наверху или вблизи верха слоя покрытия. Должно быть также понятно, что слой покрытия карбонитрида титана, нанесенный путем УТ-ХПО, может вместо этого быть заменен слоем покрытия карбонитрида титана, нанесенным путем высокотемпературного ХПО.
Третий слой 41 покрытия наносят на второй слой 40 покрытия. Третий слой 41 покрытия содержит слой покрытия карбонитрида титана, нанесенный путем высокотемпературного химического парофазного осаждения (ВТ-ХПО) при температуре, равной примерно 1000°C. Эта стадия представляет собой стадию 3 в таблице 1. Данный слой покрытия ВТ-ХПО карбонитрида титана содержит зерна карбонитрида титана, и его наносят в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен при предварительно выбранном размере зерна. Толщина слоя 41 покрытия имеет интервал, который имеет нижний предел, равный нулю или выше нуля микрометров, и верхний предел, равный примерно 5 микрометрам.
Следующие шесть слоев покрытия действительно содержат три повторения пары слоев покрытия. Каждые из скобок 42, 44 и 46 обозначают повторение этих трех слоев покрытия.
Первый слой (48, 52, 56) покрытия в каждом повторении, которое образуют посредством стадии 4A в таблице 1, включает слой покрытия оксикарбонитрида титана алюминия, который содержит зерна оксикарбонитрида титана алюминия, нанесенный путем ХПО. Этот первый слой (48, 52, 56) покрытия наносят в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен, которые составляют слой покрытия, при предварительно выбранном среднем размере зерна. Эти первые слои (48, 52, 56) покрытия можно рассматривать как титан/алюминийсодержащие слои покрытия, которые содержат титан/алюминийсодержащие зерна. Толщина каждого из этих первых слоев (48, 52, 56) покрытия имеет интервал, который имеет нижний предел выше нуля микрометров и верхний предел, равный примерно 5 микрометрам. В качестве альтернативы толщина каждого слоя (48, 52, 56) покрытия имеет нижний предел, равный примерно 0,1 микрометра, и верхний предел, равный примерно 4 микрометрам.
Второй слой (50, 54, 58) покрытия в каждом повторении, которое образуют посредством стадии 4Б в таблице 1, наносят путем ХПО, и он включает слой покрытия оксида алюминия, который содержит зерна оксида алюминия. Слой покрытия оксида алюминия наносят в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен оксида алюминия при предварительно выбранном среднем размере зерна. Толщина каждого слоя (50, 54, 58) покрытия оксида алюминия имеет интервал, который имеет нижний предел, равный примерно 0,5 микрометра, и верхний предел, равный примерно 25 микрометрам. В качестве альтернативы толщина каждого слоя (50, 54, 58) покрытия имеет интервал, который имеет нижний предел, равный примерно 1 микрометру, и верхний предел, равный примерно 20 микрометрам.
Следующий слой 60 покрытия наносят путем ХПО на слой оксида алюминия 58, и он включает слой покрытия карбонитрида титана алюминия (то есть титансодержащий слой покрытия), который содержит зерна карбонитрида титана алюминия, нанесенный путем ХПО в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен карбонитрида титана алюминия при предварительно выбранном среднем размере зерна. Эта стадия представляет собой стадию 5 в таблице 1. Толщина слоя 60 покрытия имеет интервал, который имеет нижний предел выше нуля микрометров и верхний предел, равный примерно 5 микрометрам. В качестве альтернативы толщина слоя 60 покрытия имеет нижний предел, равный примерно 0,1 микрометра, и верхний предел, равный примерно 4 микрометрам.
Следующий слой 62 покрытия содержит карбонитрид титана, нанесенный путем химического парофазного осаждения на слой 60 покрытия. Эта стадия представляет собой стадию 6 в таблице 1. Толщина этого слоя 62 покрытия находится в интервале между примерно 0,5 микрометра и примерно 2 микрометров.
Наружный слой 64 покрытия содержит нитрид титана, нанесенный путем химического парофазного осаждения на слой 62 покрытия. Эта стадия представляет собой стадию 7 в таблице 1. Толщина этого наружного слоя 64 покрытия находится в интервале от нижнего предела, равного примерно 0,1 микрометра, до верхнего предела, равного примерно 5 микрометрам.
Как упомянуто выше, фиг. 3 представляет собой микрофотографию, которая показывает микроструктуру в поперечном разрезе действительного Примера 1. Более конкретно базовый слой представляет собой слой покрытия нитрида титана, который имеет золотистый цвет и является тонким. Следующий слой представляет собой карбонитрид титана, который был нанесен путем умеренно-температурного химического парофазного осаждения (УТ-ХПО) и имеет голубой/серый цвет. Следующий слой представляет собой карбонитрид титана, осажденный посредством процесса высокотемпературного химического парофазного осаждения (ВТ-ХПО) и имеет голубой/серый цвет.
После завершения нанесения ВТ-ХПО слоя карбонитрида титана проводят три последовательности покрытия, где каждая последовательность покрытия включает: (a) титан/алюминийсодержащий слой покрытия (то есть слой покрытия оксикарбонитрида титана алюминия) и (б) слой покрытия оксида алюминия. Слой покрытия ВТ-ХПО карбонитрида титана имеет серо-голубой цвет и является тонким. Слой оксикарбонитрида титана алюминия имеет золотистый цвет и является тонким. Слой покрытия оксида алюминия имеет черный цвет и (по меньшей мере в данном воплощении) является более толстым, чем другой слой покрытия. Именно слой покрытия карбонитрида титана алюминия и слой карбонитрида титана являются переходными от последовательности покрытия к наружному слою нитрида титана. Эти переходные слои покрытия имеют розоватый цвет. Наружный слой нитрида титана имеет желтоватый (или золотистый) цвет.
В отношении способа получения системы покрытия Примера 1 в таблице 1 раскрыты эти стадии процесса. Со ссылкой на таблицу 1 эти стадии процесса перечислены в первой колонке, начиная с левой стороны таблицы 1. Должно быть понятно, что стадии 4A-4Б включают стадии нанесения слоев покрытия, которые включают каждую последовательность покрытия. Во второй колонке приведен температурный интервал в градусах Цельсия для соответствующей стадии процесса. В третьей колонке приведен интервал давления в миллибарах для соответствующей стадии процесса. В четвертой колонке приведена суммарная продолжительность в минутах соответствующей стадии процесса. В пятой колонке приведены газы, которые присутствовали (полностью или частично) в течение соответствующей стадии процесса.
| Таблица 1 Стадии процесса для получения первого конкретного воплощения системы покрытия |
||||
| Стадия/параметр | Интервал температуры (°C) | Интервал давления (мб) | Суммарное время (минуты) стадии | Присутствующие газы |
| Стадия 1: базовый слой 38 нитрида титана | 900-905 | 70-160 | 35 | H2+N2+TiCl4 |
| Стадия 2: УТ-ХПО слой 40 покрытия карбонитрида титана | 880-900 | 70-90 | 417 | H2+N2+TiCl4+ CH3CN |
| Стадия 3: ВТ-ХПО слой 40 покрытия карбонитрида титана | 1000 | 500 | 16 | H2+CH4+N2+TiCl4 |
| Начальные повторения | ||||
| Стадия 4A: слой (48, 52, 56) покрытия оксикарбонитрида титана алюминия | 1000 | 75-500 | 41 | H2+CH4+N2+ TiCl4+AlCl3+ HCl+CO+CO2 |
| Стадия 4Б: слой (50, 54, 58) покрытия оксида алюминия | 1000 | 75 | 140 | H2+N2+AlCl3+ HCl+CO+CO2+H2S |
| Конечные повторения | ||||
| Стадия 5: слой покрытия карбонитрида титана алюминия | 1000 | 80-500 | 30 | H2+CH4+N2+TiCl4 +AlCl3 |
| Стадия 6: слой покрытия карбонитрида титана | 985 | 200-500 | 66 | H2+CH4+N2+TiCl4 |
| Стадия 7: нитрид титана | 980 | 200-800 | 121 | H2+N2+TiCl4 |
Для простоты понимания стадия 4A в таблице 1 перечислена в виде одной стадии; однако в действительности стадия 4A включает три последовательные приведенные ниже стадии, каждую из которых проводят при 1000°C и в интервале давления 75-500 мб: стадия 4A-1 длится в течение периода, равного 30 минутам, и в ней используют следующие газы H2, CH4, N2, TiCl4, CO, и за ней следует стадия 4A-2, которая длится в течение 5 минут, и в ней используют следующие газы H2, CH4, N2, TiCl4, CO и AlCl3), и, наконец, за ней следует стадия 4A-3, которая длится в течение 6 минут, и в ней используют следующие газы H2, CH4, N2, TiCl4, CO, CO2 и HCl. Авторы изобретения считают, что на стадии 4A-1 осаждается слой оксикарбонитрида титана, и что на стадии 4A-2 осаждается слой оксикарбонитрида титана алюминия, и что на стадии 4A-3 осаждается слой оксида титана, который функционирует как слой покрытия для зародышеобразования альфа-оксида алюминия. Должно быть понятно, что авторы изобретения считают, что слои покрытия, осажденные посредством стадии 4A, проявляют морфологию нитевидных кристаллов, и слои покрытия стадий 4A-2 и 4A-3 покрывают эти нитевидные кристаллы. Авторы изобретения не подразумевают ограничения изобретения присутствием этих слоев покрытия оксикарбонитрида титана или оксикарбонитрида титана алюминия или оксида титана.
Для простоты понимания стадия 4Б в таблице 1 перечислена в виде одной стадии; однако в действительности стадия 4Б включает три последовательные приведенные ниже стадии, каждую из которых проводят при температуре, равной 1000°C, и давлении, равном 75 мб: стадия 4Б-1 имеет продолжительность, равную 30 минутам, и в ней используют следующие газы: H2+N2+AlCl3+HCl+CO+CO2, затем за этой стадией следует стадия 4Б-2, которая длится в течение 100 минут, и в ней используют следующие газы: H2+AlCl3+HCl+CO2+H2S, и, наконец, за этой стадией следует стадия 4Б-3, которая длится в течение 10 минут, и в ней используют следующие газы: H2+N2+AlCl3+HCl+CO2. На каждой из стадий 4Б-1-4Б-3 осаждается слой оксида алюминия.
Для простоты понимания стадия 5 в таблице 1 перечислена в виде одной стадии; однако, в действительности она включает две приведенные ниже последовательные стадии, которые проводят при 1000°C: стадия 5-1 длится в течение 10 минут при давлении, равном 80 мб, и в ней используют следующие газы H2+CH4+N2+TiCl4+AlCl3. Стадия 5-2 длится в течение 20 минут при давлении, равном 500 мб, и в ней используют следующие газы H2+CH4+N2+TiCl4+AlCl3. На каждой из стадии 5-1 и стадии 5-2 осаждается слой карбонитрида титана алюминия.
Со ссылкой на фиг. 4 в поперечном разрезе показан угол второго воплощения режущей пластины с покрытием (которая является одной из форм основы с покрытием), в целом обозначенного 70. Режущая пластина 70 с покрытием содержит субстрат 72. Режущая пластина 70 с покрытием имеет систему покрытия, показанную скобками 74. Система 74 покрытия включает слои покрытия, нанесенные путем ХПО или УТ-ХПО, которые описаны здесь ниже. Температурные интервалы и присутствующие газы (для всей или для части стадии осаждения) для каждого слоя приведены здесь ниже в таблице 2.
Первый или базовый слой 76 покрытия включает слой покрытия нитрида титана, который содержит зерна нитрида титана и осаждается на поверхности субстрата 72 путем ХПО. Это составляет стадию 1 в таблице 2. Толщина первого слоя 76 покрытия имеет нижний предел выше нуля микрометров и верхний предел, равный примерно 5 микрометрам. Зерна нитрида титана имеют средний размер зерна, равный или меньший чем примерно один микрометр.
Второй слой 78 покрытия включает слой покрытия карбонитрида титана, который содержит зерна карбонитрида титана, нанесенный путем УТ-ХПО на базовый слой 76 покрытия. Это составляет стадию 2 в таблице 2. Второй слой 78 покрытия наносят в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен карбонитрида титана при предварительно выбранном размере зерна. Зерна карбонитрида титана имеют средний размер зерна, равный или меньший чем примерно один микрометр. Толщина второго слоя 78 покрытия имеет нижний предел, равный примерно 0,5 микрометра, и верхний предел, равный примерно 25 микрометрам. Третий слой 79 покрытия содержит карбонитрид титана, нанесенный посредством ВТ-ХПО. Это составляет стадию 3 в таблице 2. Толщина третьего слоя 79 покрытия находится в интервале между числом выше 0 микрометров и примерно 5 микрометрами и более предпочтительно находится в интервале между примерно 0,1 микрометра и примерно 4 микрометрами.
Система 74 покрытия дополнительно включает восемнадцать последовательностей покрытия, показанных скобками 80, где каждая последовательность 80 покрытия включает пару слоев покрытия. Одним слоем покрытия из пары является слой покрытия оксикарбонитрида титана алюминия, осажденный путем ХПО, и это составляет стадию 4A в таблице 2. Другим слоем покрытия является слой покрытия оксида алюминия, осажденный путем ХПО, и это составляет стадию 4Б в таблице 2. Каждый слой покрытия оксикарбонитрида титана алюминия содержит зерна карбонитрида титана. Каждый слой покрытия оксикарбонитрида титана алюминия наносят путем ХПО в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен оксикарбонитрида титана алюминия при предварительно выбранном размере зерна. Зерна оксикарбонитрида титана алюминия имеют средний размер зерна, равный или меньший чем один микрометр. Каждый слой покрытия оксида алюминия содержит зерна оксида алюминия. Каждый слой оксида алюминия наносят путем ХПО в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен оксида алюминия при предварительно выбранном размере зерна. Зерна оксида алюминия имеют средний размер зерна, равный или меньший чем один микрометр.
Более конкретно последовательность покрытия дна показана скобками 84 и включает слой 86 покрытия оксикарбонитрида титана алюминия и слой 88 покрытия оксида алюминия. Скобки 90 представляют средние шестнадцать последовательностей покрытия, где каждая последовательность покрытия подобна последовательности 84 покрытия. Последовательность покрытия верха показана скобками 94 и включает слой 96 покрытия оксикарбонитрида титана алюминия и слой 98 покрытия оксида алюминия.
Суммарная толщина каждой из последовательностей (84, 94) покрытия находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,1 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 10 микрометрам. В качестве альтернативы суммарная толщина каждой из этих последовательностей (84, 94) покрытия находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 1 микрометру, и верхним пределом, равным примерно 8 микрометрам. Толщина слоя (86, 96) покрытия оксикарбонитрида титана алюминия, которая составляет часть каждой из этих последовательностей (84, 94) покрытия, находится в интервале между нижним пределом выше нуля микрометров и нижним пределом, равным примерно 5 микрометрам. В качестве альтернативы толщина этого слоя (86, 96) покрытия оксикарбонитрида титана алюминия находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,1 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 4 микрометрам. Толщина слоя (88, 98) покрытия оксида алюминия, которая составляет часть каждой из этих последовательностей (84, 94) покрытия, находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,1 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 25 микрометрам. В качестве альтернативы толщина этого слоя (88, 98) покрытия оксида алюминия находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 1 микрометру, и верхним пределом, равным примерно 25 микрометрам.
В данной конкретной системе 74 покрытия следующий слой покрытия представляет собой слой 100 карбонитрида титана алюминия, который составляет стадию 5 в таблице 2. За слоем 100 покрытия следует слой 102 карбонитрида титана, который составляет стадию 6 в таблице 2. За слоем 102 покрытия следует наружный слой 104 нитрида титана, который составляет стадию 7 в таблице 2. Толщина слоя 100 покрытия карбонитрида титана алюминия находится в интервале между нижним пределом, равным числу микрометров, равному или большему чем ноль, и верхним пределом, равным примерно 5 микрометрам. В качестве альтернативы толщина этого слоя 100 покрытия находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,1 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 4 микрометрам. Толщина слоя 102 покрытия карбонитрида титана находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,1 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 5 микрометрам. Толщина наружного слоя 104 покрытия нитрида титана находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,1 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 5 микрометрам.
Слой покрытия карбонитрида титана алюминия содержит зерна карбонитрида титана алюминия, которые имеют средний размер зерна, равный или меньший чем один микрометр. Слой покрытия карбонитрида титана алюминия наносят в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен карбонитрида титана алюминия при предварительно выбранном размере зерна.
Слой покрытия карбонитрида титана содержит зерна карбонитрида титана, которые имеют средний размер зерна, равный или меньший чем один микрометр. Слой покрытия карбонитрида титана наносят в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен карбонитрида титана при предварительно выбранном размере зерна.
Слой покрытия нитрида титана содержит зерна нитрида титана, которые имеют средний размер зерна, равный или меньший чем один микрометр. Слой покрытия нитрида титана наносят в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен нитрида титана при предварительно выбранном размере зерна.
В отношении способа получения второго конкретного воплощения изобретения в таблице 2 раскрыты стадии процесса, используемого для получения системы покрытия второго конкретного воплощения (действительного примера 2) режущей пластины с покрытием. Со ссылкой на таблицу 2 в первой колонке, начинающейся с левой стороны таблицы 2, приведены стадии процесса. Должно быть понятно, что стадии 4A-4Б включают стадии, на которых наносят слои покрытия, которые включают каждую последовательность покрытия.
Во второй колонке приведен температурный интервал в градусах Цельсия для соответствующей стадии. В третьей колонке приведен интервал давления в миллибарах для соответствующей стадии. В четвертой колонке приведена суммарная продолжительность в минутах соответствующей стадии. В пятой колонке приведены газы, которые присутствовали (полностью или частично) в течение соответствующей стадии.
| Таблица 2 Стадии процесса для получения второго конкретного воплощения системы покрытия |
||||
| Стадия/параметр | Интервал температуры (°C) | Интервал давления (мб) | Суммарное время (минуты) стадии | Присутствующие газы |
| Стадия 1: базовый слой 76 нитрида титана | 900-905 | 70-160 | 35 | H2+N2+TiCl4 |
| Стадия 2: Слой покрытия УТ карбонитрида титана | 880-900 | 70-90 | 417 | H2+CH3CN+N2+TiCl4 |
| Стадия 3: Слой покрытия ВТ карбонитрида титана | 1000 | 500 | 17 | H2+CH4+N2+TiCl4 |
| Начало каждого повторения | ||||
| Последовательность стадий 4A: слои покрытия оксикарбонитрида титана алюминия | 1000 | 75-500 | 41 | H2+CH4+N2+TiCl4 +AlCl3+HCl+ CO+CO2 |
| Последовательность стадий 4Б: слои покрытия оксида алюминия | 1000 | 75 | 30 | H2+N2+AlCl3+ HCl+CO+CO2+H2S |
| Конец каждого повторения | ||||
| Стадия 5: слой покрытия карбонитрида титана алюминия | 1000 | 80-500 | 30 | H2+CH4+N2+TiCl4+AlCl3 |
| Стадия 6: слой покрытия карбонитрида титана | 985 | 200-500 | 66 | H2+CH4+N2+TiCl4 |
| Стадия 7: наружный слой покрытия нитрида титана | 980-985 | 200-800 | 121 | H2+N2+TiCl4 |
Для простоты понимания стадия 4A в таблице 2 перечислена в виде одной стадии; однако в действительности стадия 4A включает три последовательные приведенные ниже стадии, каждую из которых проводят при 1000°C и в интервале давления 75-500 мб: стадия 4A-1 длится в течение периода, равного 30 минутам, и в ней используют следующие газы H2, CH4, N2, TiCl4, CO, и за ней следует стадия 4A-2, которая длится в течение 5 минут, и в ней используют следующие газы H2, CH4, N2, TiCl4, CO и AlCl3, и, наконец, за ней следует стадия 4A-3, которая длится в течение 6 минут, и в ней используют следующие газы H2, CH4, N2, TiCl4, CO, CO2 и HCl. Авторы изобретения считают, что на стадии 4A-1 осаждается слой оксикарбонитрида титана, и что на стадии 4A-2 осаждается слой оксикарбонитрида титана алюминия, и что на стадии 4A-3 осаждается слой оксида титана, который функционирует как слой покрытия для зародышеобразования альфа-оксида алюминия. Должно быть понятно, что авторы изобретения считают, что слои покрытия, осажденные посредством стадии 4A, проявляют морфологию нитевидных кристаллов, причем слой покрытия стадии 4А-1 имеет морфологию нитевидных кристаллов, а слои покрытия стадий 4A-2 и 4A-3 покрывают эти нитевидные кристаллы. Авторы изобретения не подразумевают ограничения изобретения присутствием этих слоев покрытия оксикарбонитрида титана или оксикарбонитрида титана алюминия или оксида титана.
Для простоты понимания стадия 4Б в таблице 1 перечислена в виде одной стадии; однако в действительности стадия 4Б включает три последовательные приведенные ниже стадии, каждую из которых проводят при температуре, равной 1000°C, и давлении, равном 75 мб: стадия 4Б-1 имеет продолжительность, равную 5 минутам, и в ней используют следующие газы H2+N2+AlCl3+HCl+CO+CO2, затем за этой стадией следует стадия 4Б-2, которая длится в течение 20 минут, и в ней используют следующие газы H2+AlCl3+HCl+CO2+H2S, и, наконец, за этой стадией следует стадия 4Б-3, которая длится в течение 5 минут, и в ней используют следующие газы H2+N2+AlCl3+HCl+CO2. На каждой из стадий 4Б-1-4Б-3 осаждается слой оксида алюминия.
Для простоты понимания стадия 5 в таблице 1 перечислена в виде одной стадии; однако в действительности она включает две приведенные ниже последовательные стадии, которые проводят при 1000°C: стадия 5-1 длится в течение 10 минут при давлении, равном 80 мб, и в ней используют следующие газы H2+CH4+N2+TiCl4+AlCl3. Стадия 5-2 длится в течение 20 минут при давлении, равном 500 мб, и в ней используют следующие газы H2+CH4+N2+TiCl4+AlCl3. На каждой из стадии 5-1 и стадии 5-2 осаждается слой карбонитрида титана алюминия.
Фиг. 5 представляет собой микрофотографию (в цвете), которая показывает микроструктуру действительной системы покрытия, которая показана в схематической форме на фиг. 4 как система 74 покрытия. Конкретный субстрат, показанный на фиг. 5, представляет собой карбид вольфрама с кобальтом в качестве связующего материала.
Со ссылкой на систему покрытия, представленную на фиг. 5, базовый слой представляет собой слой покрытия нитрида титана, который имеет золотистый цвет и является тонким. Следующий слой представляет собой карбонитрид титана, который был нанесен путем умеренно-температурного химического парофазного осаждения (УТ-ХПО) и имеет голубой/серый цвет. Следующий слой представляет собой карбонитрид титана, который был нанесен путем высокотемпературного химического парофазного осаждения (ВТ-ХПО) и также имеет голубой/серый цвет.
После завершения нанесения ВТ-ХПО слоя карбонитрида титана проводят восемнадцать последовательностей покрытия, где каждая из этих последовательностей покрытия включает: (a) титан/алюминийсодержащий слой покрытия (то есть слой покрытия оксикарбонитрида титана алюминия) и (б) слой покрытия оксида алюминия. Слой оксикарбонитрида титана алюминия имеет золотистый цвет и является тонким. Слой покрытия оксида алюминия является черным и более толстым. Именно слой покрытия карбонитрида титана алюминия и слой карбонитрида титана являются переходными от последовательности покрытия к наружному слою нитрида титана. Эти переходные слои покрытия имеют розоватый цвет. Наружный слой нитрида титана имеет желтоватый (или золотистый) цвет.
Со ссылкой на фиг. 6 в поперечном разрезе показан угол предложенного третьего воплощения режущей пластины с покрытием (которая является примером основы с покрытием), в целом обозначенной 90. Режущая пластина 90 с покрытием содержит субстрат 92. Режущая пластина 90 с покрытием имеет систему покрытия, показанную скобками 94. Система 94 покрытия включает множество слоев покрытия, которые описаны здесь ниже.
Базовый (или первый) слой 96 покрытия представляет собой нитрид титана, который содержит зерна нитрида титана, осажденный путем ХПО на поверхности субстрата 92. Параметры процесса для нанесения базового слоя 96 аналогичны представленным в таблице 1 для нанесения слоя 38. Процесс ХПО проводят в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен нитрида титана при предварительно выбранном размере зерна. Зерна нитрида титана имеют средний размер зерна, равный или меньший чем примерно один микрометр. Первый слой 96 покрытия имеет толщину, которая находится в интервале между нижним пределом, равным числу микрометров выше нуля, и верхним пределом, равным примерно 5 микрометрам.
Система 94 покрытия дополнительно включает серию из пяти последовательностей покрытия, как показано скобками 98, 100, 102, 104, 106. Толщина каждой из этих последовательностей (98, 100, 102, 104, 106) покрытия находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,1 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 25 микрометрам. В качестве альтернативы толщина каждой из последовательностей (98, 100, 102, 104, 106) покрытия находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 1 микрометру, и верхним пределом, равным примерно 20 микрометрам.
Каждая из этих последовательностей (98, 100, 102, 104, 106) покрытия включает четыре слоя покрытия. Первый слой покрытия в каждой последовательности покрытия включает слой покрытия из карбонитрида титана, который содержит зерна карбонитрида титана, нанесенный путем ХПО. Процесс ХПО применяют в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен карбонитрида титана при предварительно выбранном размере зерна. Зерна карбонитрида титана имеют средний размер зерна, равный или меньший чем примерно один микрометр. Часть этого слоя покрытия из карбонитрида титана наносят путем УТ-ХПО, где температура осаждения процесса УТ-ХПО находится в интервале между примерно 700 и примерно 900°C. Осаждение остальной части слоя покрытия карбонитрида титана в последовательности осаждают при температуре примерно 1000°C. Примерные параметры процесса для данного слоя покрытия (УТ-ХПО и ВТ-ХПО) из карбонитрида титана представлены в таблице 1 как стадии 2A и 2Б.
Второй слой покрытия в каждой последовательности покрытия включает слой покрытия из оксикарбонитрида титана алюминия, который содержит зерна оксикарбонитрида титана алюминия, осаждаемые путем ХПО, где данный слой покрытия имеет толщину, которая находится в интервале между нижним пределом выше нуля микрометров и верхним пределом, равным примерно 5 микрометрам. В качестве альтернативы толщина данного слоя покрытия из оксикарбонитрида титана алюминия находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,1 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 4 микрометрам. Примерные параметры процесса для данного слоя покрытия из оксикарбонитрида титана алюминия представлены в стадии 4A таблицы 1. Процесс ХПО применяют в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен оксикарбонитрида титана алюминия при предварительно выбранном размере зерна. Зерна оксикарбонитрида титана алюминия имеют средний размер зерна, равный или меньший чем примерно один микрометр.
Третий слой покрытия в каждой последовательности покрытия включает слой покрытия из оксида алюминия, осаждаемый путем ХПО, где этот слой покрытия имеет толщину, которая находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,1 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 25 микрометрам. В качестве альтернативы толщина данного слоя покрытия из мелкозернистого оксида алюминия находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 1 микрометру, и верхним пределом, равным примерно 20 микрометрам. Примерные параметры процесса для данного слоя покрытия из оксида алюминия представлены в стадии 4Б таблицы 1. Процесс ХПО применяют в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен оксида алюминия при предварительно выбранном размере зерна. Зерна оксида алюминия имеют средний размер зерна, равный или меньший чем примерно один микрометр. Кристаллическая фаза для данного слоя покрытия оксида алюминия представляет собой альфа-фазу.
Четвертый слой покрытия в каждой последовательности покрытия включает слой покрытия из оксикарбонитрида титана алюминия, осаждаемый путем ХПО, где этот слой покрытия имеет толщину, которая находится в интервале между нижним пределом, равным числу микрометров выше нуля, и верхним пределом, равным примерно 5 микрометрам. В качестве альтернативы толщина данного слоя покрытия из оксикарбонитрида титана алюминия находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,1 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 4 микрометрам. Примерные параметры процесса для данного слоя покрытия из оксида алюминия представлены в стадии 4A таблицы 1. Процесс ХПО применяют в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен оксикарбонитрида титана алюминия при предварительно выбранном размере зерна. Зерна оксикарбонитрида титана алюминия имеют средний размер зерна, равный или меньший чем примерно один микрометр.
Ссылаясь более подробно на эти пять последовательностей покрытия (98, 100, 102, 104, 106), первая из этих последовательностей покрытия 98 включает второй слой 108 покрытия из карбонитрида титана, третий слой 110 покрытия из оксикарбонитрида титана алюминия, четвертый слой 112 покрытия оксида алюминия и пятый слой 114 покрытия из оксикарбонитрида титана алюминия. Вторая из этих последовательностей покрытия 100 включает шестой слой 116 покрытия из карбонитрида титана, седьмой слой 118 покрытия из оксикарбонитрида титана алюминия, восьмой слой 120 покрытия оксида алюминия и девятый слой 122 покрытия из мелкозернистого оксикарбонитрида титана алюминия.
Третья из последовательностей покрытия 102 включает десятый слой 124 покрытия из карбонитрида титана, одиннадцатый слой 126 покрытия из оксикарбонитрида титана алюминия, двенадцатый слой 128 покрытия из оксида алюминия и тринадцатый слой 130 покрытия из оксикарбонитрида титана алюминия. Четвертая из последовательностей покрытия 104 включает четырнадцатый слой 132 покрытия из карбонитрида титана, пятнадцатый слой 134 покрытия из оксикарбонитрида титана алюминия, шестнадцатый слой 136 покрытия оксида алюминия и семнадцатый слой 138 покрытия из оксикарбонитрида титана алюминия.
Пятая последовательность покрытия 106 включает восемнадцатый слой 140 покрытия из карбонитрида титана, девятнадцатый слой 142 покрытия из оксикарбонитрида титана алюминия, двадцатый слой 144 покрытия из оксида алюминия и слой 146 покрытия из оксикарбонитрида титана алюминия.
Наконец, система покрытия имеет наружный слой 148 покрытия из нитрида титана, где этот слой 148 покрытия имеет толщину, которая находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,1 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 5 микрометрам. Слой 148 покрытия нитрида титана содержит зерна нитрида титана. Этот слой покрытия наносят в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен нитрида титана при предварительно выбранном размере зерна. Зерна нитрида титана имеют средний размер зерна, равный или меньший чем примерно один микрометр.
Со ссылкой на фиг. 7 в поперечном разрезе показан угол четвертого конкретного воплощения режущей пластины с покрытием, в целом обозначенной 160. Режущая пластина 160 с покрытием включает субстрат 162. Параметры процесса для стадий осаждения системы 164 покрытия представлены здесь ниже в таблице 3.
Система покрытия, показанная скобками 164, включает базовый слой 166 покрытия, который содержит нитрид титана, нанесенный путем ХПО. Это составляет стадию 1 в таблице 3. Температурные интервалы, при которых осаждают слой 166 покрытия, и присутствующие газы являются такими же, как для базового слоя 38 покрытия первого конкретного воплощения. Базовый слой 166 покрытия имеет толщину, которая находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,1 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 5 микрометрам.
Стадию 2 в таблице 3 проводят при температуре, равной между 880-900°C, при давлении, равном 70-90 мб, и в течение периода, равного 182 минутам. Присутствующие газы приведены в связи со стадией 2 в таблице 3. На стадии 2 таблицы 3 осаждают слой карбонитрида титана 167 (см. фиг. 7).
Система 164 покрытия дополнительно включает промежуточную область покрытия, показанную скобками 168, нанесенную путем ХПО. Это составляет стадию 3 в таблице 3. Промежуточная область 168 покрытия содержит модулированный состав, включающий две основных смеси компонентов. Одна из этих смесей компонентов содержит алюминий и кислород. Другая смесь компонентов содержит титан, углерод и азот.
Система 164 покрытия дополнительно включает слой 170 покрытия из мелкозернистого оксикарбонитрида титана алюминия, нанесенный путем ХПО на промежуточную область покрытия 168. Это составляет стадию 4 в таблице 3. Температурные интервалы, при которых осаждают слой 170 покрытия, и присутствующие газы являются такими же, как для слоя 40 покрытия первого конкретного воплощения. Слой 170 из мелкозернистого оксикарбонитрида титана алюминия имеет толщину, которая находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,1 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 5 микрометрам.
Наконец, система 164 покрытия включает наружный слой 172 покрытия из мелкозернистого нитрида титана, осаждаемый путем ХПО на слое 170 покрытия. Температурные интервалы, при которых осаждают слой 172 покрытия, и присутствующие газы являются такими же, как для наружного слоя 64 покрытия первого конкретного воплощения. Наружный слой 172 покрытия имеет толщину, которая находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,1 микрометра, и верхним пределом, равным примерно 4 микрометрам.
Возвращаясь к промежуточной области 168 покрытия, одна из синусоид является сплошной и представляет смесь алюминия и кислорода. Другая синусоида является прерывистой (или пунктирной) и представляет смесь титана, углерода и азота. Как показано с помощью синусоид для этих двух компонентов, состав промежуточной области 168 покрытия включает только титан, углерод и азота, начиная на поверхности (обозначенной 174) при базовом слое 166 покрытия из нитрида титана и при периодических точках (176, 178, 180) по всей толщине промежуточной области покрытия 168. Как также показано синусоидами для этих двух компонентов, состав промежуточной области 168 покрытия включает только алюминий и кислород (то есть оксид алюминия) на поверхности (обозначенной 186) при слое 170 покрытия (оксикарбонитрид титана алюминия) и в периодических точках (188, 190, 192) по всей толщине промежуточной области 168 покрытия.
Как также показано синусоидами для этих двух компонентов, состав промежуточной области покрытия 168, за исключением тех точек, в которых состав представляет собой либо только алюминий и кислород, либо только титан, азот и углерод, содержит титан, алюминий, кислород, углерод и азот так, чтобы образовать оксикарбонитрид титана алюминия варьирующих составов. Концентрации каждого из элементов варьируют по всей толщине промежуточной области 168 покрытия, что очевидно и находится в соответствии с синусоидами для двух компонентов.
Должно быть понятно, что варьирование элементов может принимать форму, отличную от формы синусоиды. Действительно, авторы изобретения считают, что любая периодическая кривая (то есть повторяющаяся форма) должна быть пригодна. Авторы изобретения не подразумевают ограничения объема изобретения какой-либо конкретной геометрической формой, которой представлено варьирование элементов.
В отношении процесса, который можно использовать для получения четвертого конкретного воплощения изобретения, в таблице 3 раскрыты стадии процесса, которые можно использовать для получения системы покрытия четвертого конкретного воплощения режущей пластины с покрытием. Ссылаясь на таблицу 3, в первой колонке, начиная с левой стороны 3, представлены стадии процесса. Во второй колонке представлен температурный интервал в градусах Цельсия для соответствующей стадии. В третьей колонке представлен интервал давления в миллибарах для соответствующей стадии. В четвертой колонке представлена продолжительность времени в минутах соответствующей стадии. В пятой колонке представлены газы, которые присутствовали (полностью или частично) в течение соответствующей стадии.
| Таблица 3 Стадии процесса, которые можно использовать для получения четвертого конкретного воплощения системы покрытия |
||||
| Стадия/параметр | Температурный интервал (°C) | Интервал давления (мб) | Суммарное время (минуты) стадии | Присутствующие газы |
| Стадия 1: Базовый слой из нитрида титана | 900-905 | 70-160 | 35 | H2+N2+TiCl4 |
| Стадия 2: Слой карбонитрида титана | 880-900 | 70-90 | 182 | H2+N2+TiCl4+CH3CN |
| Стадия 3: Модулирующая область покрытия | ||||
| Стадия 4: Слой 170 покрытия из карбонитрида титана | 1000 | 200-500 | 66 | H2+CH4+N2+TiCl4 |
| Стадия 5: Наружный слой 172 покрытия из нитрида титана | 980-985 | 200-800 | 121 | H2+N2+TiCl4 |
Последовательность покрытия для стадии 3 представлена ниже в таблице 3A. Для всех стадий давление было равно 75 мб, а температура была равна 880°C.
| Таблица 3A Последовательность покрытия для стадии 3 (модулирующая область покрытия) |
|||
| Стадия | Материал | Продолжительность | Присутствующие газы |
| Стадия 3-1 | УТ-карбонитрид титана | Стадии 3-1 и 3-2 равны 30 минутам | H2+N2+TiCl4+CH3CN |
| Стадия 3-2 | Оксид алюминия | H2+HCl+CO2+ H2S+AlCl3 | |
| Стадия 3-3 | Оксид алюминия | Стадии 3-3 и 3-4 равны 30 минутам | H2+HCl+CO2+ H2S+AlCl3 |
| Стадия 3-4 | УТ-карбонитрид титана | H2+N2+TiCl4+CH3CN | |
| Стадия 3-5 | УТ-карбонитрид титана | Стадии 3-5 и 3-6 равны 30 минутам | H2+N2+TiCl4+CH3CN |
| Стадия 3-6 | Оксид алюминия | H2+HCl+CO2+H2S+AlCl3 | |
| Стадия 3-7 | Оксид алюминия | Стадии 3-7 и 3-8 равны 30 минутам | H2+HCl+CO2+H2S+AlCl3 |
| Стадия 3-8 | УТ-карбонитрид титана | H2+N2+TiCl4+CH3CN | |
| Стадия 3-9 | УТ-карбонитрид титана | Стадии 3-9 и 3-10 равны 30 минутам | H2+N2+TiCl4+CH3CN |
| Стадия 3-10 | Оксид алюминия | H2+HCl+CO2+H2S+AlCl3 |
В качестве альтернативы последовательность покрытия может быть такой, которая представлена в таблице 3, за исключением того, что модулирующую область покрытия следует осуществлять при температуре 1000°C и следовать последовательности, представленной ниже в таблице 3Б.
| Таблица 3Б Последовательность покрытия для стадии 3 (модулирующая область покрытия) |
||||
| Стадия | Материал | Давление (мб) | Продолжительность | Присутствующие газы |
| Стадия 3-1 | УТ-карбонитрид титана | 500 мб в течение 15 минут | Стадии 3-1 и 3-2 равны 30 минутам | H2+N2+TiCl4+CH3CN |
| Стадия 3-2 | Оксид алюминия | 75 мб в течение 15 минут | H2+HCl +CO2+H2S+AlCl3 | |
| Стадия 3-3 | Оксид алюминия | 75 мб в течение 15 минут | Стадии 3-3 и 3-4 равны 30 минутам | H2+HCl +CO2+H2S+AlCl3 |
| Стадия 3-4 | УТ-карбонитрид титана | 500 мб в течение 15 минут | H2+N2+TiCl4+CH3CN | |
| Стадия 3-5 | УТ-карбонитрид титана | 500 мб в течение 15 минут | Стадии 3-5 и 3-6 равны 30 минутам | H2+N2+TiCl4+CH3CN |
| Стадия 3-6 | Оксид алюминия | 75 мб в течение 15 минут | H2+HCl +CO2+H2S+AlCl3 | |
| Стадия 3-7 | Оксид алюминия | 75 мб в течение 15 минут | Стадии 3-7 и 3-8 равны 30 минутам | H2+HCl +CO2+H2S+AlCl3 |
| Стадия 3-8 | УТ-карбонитрид титана | 500 мб в течение 15 минут | H2+N2+TiCl4+CH3CN | |
| Стадия 3-9 | УТ-карбонитрид титана | 500 мб в течение 15 минут | Стадии 3-9 и 3-10 равны 30 минутам | H2+N2+TiCl4+CH3CN |
| Стадия 3-10 | Оксид алюминия | 75 мб в течение 15 минут | H2+HCl +CO2+H2S+AlCl3 |
Ссылаясь на обе альтернативы, представленные в таблицах 3A и 3Б, комбинацию стадий 3-1 и 3-2 можно считать первой последовательной системой покрытия. Эта первая последовательная система покрытия включает первый титансодержащий слой покрытия (который соответствует слою покрытия, нанесенному на стадии 3-1) и второй алюминийсодержащий слой покрытия (который соответствует слою покрытия, нанесенному на стадии 3-2). Комбинацию стадий 3-3 и 3-4 можно считать второй последовательной системой покрытия. Эта вторая последовательная система покрытия включает третий алюминийсодержащий слой покрытия (который соответствует слою покрытия, нанесенному на стадии 3-3) и четвертый титансодержащий слой покрытия (который соответствует слою покрытия, нанесенному на стадии 3-4).
Кроме того, ссылаясь на обе альтернативы, как представлено в таблицах 3A и 3Б, комбинацию стадий 3-5 и 3-6 можно считать третьей последовательной системой покрытия. Эта третья последовательная система покрытия включает пятый титансодержащий слой покрытия (который соответствует слою покрытия, нанесенному на стадии 3-5) и шестой алюминийсодержащий слой покрытия (который соответствует слою покрытия, нанесенному на стадии 3-6). Комбинацию стадий 3-7 и 3-8 можно считать четвертой последовательной системой покрытия. Эта четвертая последовательная система покрытия включает седьмой алюминийсодержащий слой покрытия (который соответствует слою покрытия, нанесенному на стадии 3-7) и восьмой титансодержащий слой покрытия (который соответствует слою покрытия, нанесенному на стадии 3-8).
Кроме того, ссылаясь на обе альтернативы, как представлено в таблицах 3A и 3Б, комбинацию стадий 3-9 и 3-10 можно считать пятой последовательной системой покрытия. Эта пятая последовательная система покрытия включает девятый титансодержащий слой покрытия (который соответствует слою покрытия, нанесенному на стадии 3-9) и десятый алюминийсодержащий слой покрытия (который соответствует слою покрытия, нанесенному на стадии 3-10). Должно быть понятно, что авторы изобретения считают, что более чем пять последовательных систем покрытия может быть нанесено на субстрат.
Должно быть понятно, что авторы изобретения считают, что другие твердые материалы покрытия могут находиться в пределах объема настоящего изобретения. В этом отношении твердые материалы могут включать мелкозернистые карбиды, нитриды, карбонитриды и оксикарбонитриды металлов группы IVB, а также оксид алюминия (включая альфа-оксид алюминия, гамма-оксид алюминия и каппа-оксид алюминия), оксид циркония и оксид гафния, а также их комбинации.
Ссылаясь на фиг. 8, в поперечном разрезе показан угол четвертого конкретного воплощения режущей пластины с покрытием, в целом обозначенной 200. Режущая пластина 200 с покрытием включает субстрат 202. Параметры процесса для стадий осаждения системы 204 покрытия представлены здесь ниже в таблице 3.
Система покрытия, показанная скобками 204, включает базовый слой 206 покрытия, который содержит мелкозернистый нитрид титана, нанесенный путем ХПО. Температурные интервалы, при которых наносят слой 206 покрытия, и присутствующие газы являются такими же, как для базового слоя 38 покрытия первого конкретного воплощения. Базовый слой 206 покрытия имеет толщину, которая находится в интервале между числом выше 0 микрометров и примерно 5 микрометрами.
Система 204 покрытия дополнительно включает промежуточную область покрытия, показанную скобками 210, нанесенную путем ХПО. Промежуточная область 210 покрытия содержит модулированный состав, включающий две основные смеси компонентов. Одна из этих смесей компонентов содержит алюминий и кислород. Другая смесь компонентов содержит титан, углерод и азот.
Система 204 покрытия дополнительно включает слой 212 покрытия из мелкозернистого оксикарбонитрида титана алюминия, нанесенный путем ХПО на промежуточную область 210 покрытия. Температурные интервалы, при которых осаждают слой 212 покрытия, и присутствующие газы являются такими же, как для слоя 42 покрытия первого конкретного воплощения. Слой 212 из мелкозернистого оксикарбонитрида титана алюминия имеет толщину, которая находится в интервале между примерно 0,5 микрометра и примерно 2 микрометрами.
Наконец, система 204 покрытия включает наружный слой 214 покрытия из мелкозернистого нитрида титана, осаждаемый путем ХПО на слое 212 покрытия. Температурные интервалы, при которых осаждают слой 214 покрытия, и присутствующие газы являются такими же, как для наружного слоя 48 покрытия первого конкретного воплощения. Наружный слой 214 покрытия имеет толщину, которая находится в интервале между примерно 0,1 микрометра и примерно 5 микрометрами.
Возвращаясь к промежуточной области 210 покрытия, одна из кривых является сплошной и представляет смесь алюминия и кислорода. Другая кривая является прерывистой (или пунктирной) и представляет смесь титана, углерода и азота. Как показано кривыми для этих двух компонентов, состав промежуточной области 210 покрытия включает, в основном, титан, углерод и азот (с минорными количествами алюминия и кислорода), начиная на поверхности (обозначенной 216) с основного слоя 206 покрытия из нитрида титана. Состав промежуточной области 210 покрытия постепенно меняется по мере того, как область 210 покрытия перемещается от границы 216 к точке 218, в котором состав представляет собой только титан, углерод и азот.
Состав промежуточной области 210 покрытия снова меняется по мере того, как область 210 покрытия перемещается еще дальше от границы 216 (то есть перемещение от точки 218 к точке 220). Это изменение имеет такую природу, что содержание алюминия-кислорода возрастает, а содержание титана-углерода-азота снижается, так что в точке 220 количество алюминия и кислорода примерно равно количеству титана, и азота, и углерода.
Состав промежуточной области 210 покрытия меняется в соответствии с синусоидой от точки 220 к границе со слоем 212 покрытия. Более конкретно состав варьирует таким образом, что в точке 222 и в точке 226 покрытие имеет состав, который содержит основной компонент алюминия и кислорода и минорный компонент титана, углерода и азота. В точке 224 покрытие имеет состав, который содержит основной компонент титана, углерода и азота и минорный компонент алюминия и кислорода. Точка 226 является границей раздела между областью 210 покрытия и слоем 212 покрытия.
За исключением точки 218, в которой состав представляет собой только титан, углерод и азот, покрытие содержит титан, алюминий, кислород, углерод и азот так, чтобы образовать оксикарбонитрид титана алюминия варьирующих составов. Концентрации каждого из элементов варьируют по всей толщине промежуточной области покрытия.
Должно быть понятно, что авторы изобретения считают, что другие твердые материалы покрытия могут находиться в пределах объема настоящего изобретения. В этом отношении твердые материалы могут включать мелкозернистые карбиды, нитриды, карбонитриды и оксикарбонитриды металлов группы IVB, а также оксид алюминия (включая альфа-оксид алюминия, гамма-оксид алюминия и каппа-оксид алюминия), оксид циркония и оксид гафния.
Патенты и другие документы, цитируемые здесь, включены здесь путем ссылки. Другие воплощения изобретения должны быть очевидны специалистам в данной области техники с учетом описания или практики раскрытого здесь изобретения. Подразумевают, что описание и примеры являются только иллюстративными и не предназначены для ограничения объема изобретения. Сущность и объем изобретения обозначены приведенной ниже формулой изобретения.
1. Основа режущей пластины с покрытием, содержащая:
субстрат и систему покрытия на субстрате, где эта система покрытия включает:
слой покрытия карбонитрида титана, содержащий зерна карбонитрида титана, причем этот слой покрытия карбонитрида титана нанесен путем химического парофазного осаждения в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен карбонитрида титана при предварительно выбранном размере зерна, и толщина слоя покрытия карбонитрида титана находится в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,5 мкм, и верхним пределом, равным примерно 25 мкм;
первый титан/алюминийсодержащий слой покрытия, содержащий первые титан/алюминийсодержащие зерна, причем этот первый титан/алюминийсодержащий слой покрытия нанесен путем химического парофазного осаждения в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост первых титан/алюминийсодержащих зерен при предварительно выбранном размере зерна, и толщина этого первого титан/алюминийсодержащего слоя покрытия находится в интервале между нижним пределом, равным выше 0 мкм, и верхним пределом, равным примерно 5 мкм; и
слой покрытия альфа-оксида алюминия, содержащий зерна альфа-оксида алюминия, причем этот слой покрытия оксида алюминия нанесен путем химического парофазного осаждения в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен альфа-оксида алюминия при предварительно выбранном размере зерна, и толщина этого слоя покрытия альфа-оксида алюминия находится в интервале между нижним пределом, равным выше 0 мкм, и верхним пределом, равным примерно 5 мкм, и где первый титан/алюминийсодержащий слой покрытия и слой покрытия альфа-оксида алюминия образуют последовательность покрытия, причем система покрытия содержит множество последовательностей покрытия и множество последовательностей покрытия нанесено после нанесения слоя покрытия карбонитрида титана.
2. Основа режущей пластины с покрытием по п.1, где система покрытия дополнительно включает базовый слой покрытия из нитрида титана, нанесенный на субстрат путем химического парофазного осаждения, и слой покрытия карбонитрида титана, нанесенный на базовый слой покрытия.
3. Основа режущей пластины с покрытием по п.1, где система покрытия дополнительно включает второй титан/алюминийсодержащий слой покрытия из вторых титан/алюминийсодержащих зерен, нанесенный на слой покрытия альфа-оксида алюминия, где второй титан/алюминийсодержащий слой покрытия нанесен путем химического парофазного осаждения в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост вторых титан/алюминийсодержащих зерен при предварительно выбранном размере, и толщина второго титан/алюминийсодержащего слоя покрытия находится в интервале между нижним пределом, равным выше 0 мкм, и верхним пределом, равным примерно 5 мкм.
4. Основа режущей пластины с покрытием по п.1, где система покрытия дополнительно включает наружный слой покрытия из нитрида титана, нанесенный путем химического парофазного осаждения, и этот наружный слой покрытия нитрида титана имеет толщину в интервале между нижним пределом, равным 0,1 мкм и верхним пределом, равным 5 мкм.
5. Основа режущей пластины с покрытием по п.3, где первые титан/алюминийсодержащие зерна дополнительно содержат один или более чем один элемент из приведенных ниже: кислород, углерод и азот, и вторые титан/алюминийсодержащие зерна дополнительно содержат один или более чем один элемент из приведенных ниже: кислород, углерод и азот.
6. Основа режущей пластины с покрытием по п.1, где субстрат выполнен из нижеследующих материалов: цементированные карбиды, керамики, металлокерамики, стали и поликристаллический кубический нитрид бора.
7. Основа режущей пластины с покрытием по п.1, где средний размер зерна зерен карбонитрида титана является равным или меньшим, чем 1 мкм, и средний размер зерна первых титан/алюминийсодержащих зерен является равным или меньшим чем 1 мкм.
8. Основа режущей пластины с покрытием по п.1, где по меньшей мере часть слоя покрытия карбонитрида титана нанесена путем умеренно-температурного химического парофазного осаждения при температуре между примерно 850 и примерно 900°С.
9. Основа режущей пластины с покрытием по п.8, где по меньшей мере другая часть слоя покрытия карбонитрида титана нанесена путем высокотемпературного химического парофазного осаждения при температуре, равной или большей чем 950°С.
10. Основа режущей пластины с покрытием по п.1, где субстрат включает карбид, цементированный связующим материалом, и этот субстрат имеет зону обогащения связующим материалом, начинающуюся на его поверхности или вблизи его поверхности, где эта зона обогащения связующим материалом распространяется внутрь от поверхности субстрата.
11. Основа режущей пластины с покрытием по п.1, где первый титан/алюминийсодержащий слой покрытия проявляет морфологию нитевидных кристаллов.
12. Основа режущей пластины с покрытием по п.1, где первый титан/алюминийсодержащий слой покрытия включает слой покрытия оксикарбонитрида титана на слое покрытия карбонитрида титана и слой покрытия оксикарбонитрида титана алюминия на слое покрытия оксикарбонитрида титана, а также слой покрытия зародышеобразования альфа-оксида алюминия на слое покрытия оксикарбонитрида титана алюминия.
13. Основа режущей пластины с покрытием по п.12, где слой покрытия зародышеобразования альфа-оксида алюминия состоит, по существу, из оксида титана.
14. Основа режущей пластины с покрытием, содержащая:
субстрат и систему покрытия на субстрате, где эта система покрытия включает:
промежуточную область покрытия, нанесенную химическим парофазным осаждением и имеющую толщину и первую композиционную составляющую, содержащую алюминий и кислород, и вторую композиционную составляющую, содержащую титан и углерод, и азот;
первый композиционный компонент, варьирующий первым способом между максимумом и минимумом, и второй композиционный компонент, варьирующий вторым способом между максимумом и минимумом, где, когда первый композиционный компонент находится при максимуме, второй композиционный компонент находится при минимуме, и, когда второй композиционный компонент находится при максимуме, первый композиционный компонент находится при минимуме; и
базовый слой покрытия нитрида титана, нанесенный путем химического парофазного осаждения на субстрат.
15. Основа режущей пластины с покрытием по п.14, в которой система покрытия дополнительно включает титан/алюминийсодержащий слой покрытия, расположенный на промежуточном слое покрытия и содержащий титан/алюминийсодержащие зерна, который нанесен химическим парофазным осаждением в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост титан/алюминийсодержащих зерен при предварительно выбранном размере, и упомянутые титан/алюминийсодержащие зерна дополнительно содержат один или более чем один элемент, выбранный из кислорода и углерода, и азота.
16. Основа режущей пластины с покрытием по п.14, в которой первый и второй композиционные компоненты содержатся в промежуточном слое с периодически изменяющимся содержанием на протяжении по меньшей мере части толщины промежуточного покрытия.
17. Основа режущей пластины с покрытием по п.14, в которой первый и второй композиционные компоненты содержатся в промежуточном слое с периодически изменяющимся содержанием на протяжении всей толщины промежуточного покрытия.
18. Способ изготовления основы режущей пластины с покрытием, включающий стадии:
получения субстрата;
нанесения путем химического парофазного осаждения слоя покрытия карбонитрида титана, содержащего зерна карбонитрида титана, в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен карбонитрида титана при предварительно выбранном размере и регулировать толщину слоя покрытия карбонитрида титана так, чтобы она находилась в интервале между нижним пределом, равным примерно 0,5 мкм, и верхним пределом, равным примерно 25 мкм;
нанесения путем химического парофазного осаждения, после нанесения слоя покрытия карбонитрида титана, первого титан/алюминийсодержащего слоя покрытия, содержащего первые титан/алюминийсодержащие зерна, в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост первых титан/алюминийсодержащих зерен при предварительно выбранном размере и регулировать толщину первого титан/алюминийсодержащего слоя покрытия так, чтобы она находилась в интервале между нижним пределом, равным выше 0 мкм, и верхним пределом, равным примерно 5 мкм, первый слой титан/алюминийсодержащего покрытия проявляет морфологию нитевидных кристаллов; и
нанесения путем химического парофазного осаждения слоя покрытия оксида алюминия, содержащего зерна оксида алюминия, в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост зерен оксида алюминия при предварительно выбранном размере и регулировать толщину покрытия оксида алюминия так, чтобы она находилась в интервале между нижним пределом выше 0 мкм, и верхним пределом, равным примерно 5 мкм, и где первый слой титан/алюминийсодержащего покрытия и слой покрытия оксида алюминия образуют последовательность покрытия, и этот способ включает нанесение множества последовательностей покрытия путем ХПО.
19. Способ по п.18, где система покрытия дополнительно включает осаждение путем химического парофазного осаждения на слой покрытия оксида алюминия второго титан/алюминийсодержащего слоя покрытия, содержащего вторые титан/алюминийсодержащие зерна, в течение выбранной продолжительности времени так, чтобы остановить рост вторых титан/алюминийсодержащих зерен при предварительно выбранном размере, и вторые титан/алюминийсодержащие зерна дополнительно содержат один или более чем один элемент, выбранный из кислорода и углерода, и азота.
20. Способ по п.19, где зерна карбонитрида титана в слое покрытия карбонитрида титана имеют средний размер зерна, равный или меньший, чем 1 мкм, и первые титан/алюминийсодержащие зерна в первом титан/алюминийсодержащем слое покрытия имеют средний размер зерна, равный или меньший, чем 1 мкм, зерна оксида алюминия в слое покрытия оксида алюминия имеют средний размер зерна, равный или меньший, чем 1 мкм, и вторые титан/алюминийсодержащие зерна во втором титан/алюминийсодержащем слое покрытия имеют средний размер зерна, равный или меньший, чем 1 мкм.
21. Способ изготовления основы режущей пластины с покрытием, включающий стадии:
получения субстрата;
нанесения путем химического парофазного осаждения базового слоя из нитрида титана на субстрат;
после нанесения базового слоя нанесения путем химического парофазного осаждения первой последовательной системы покрытия, состоящей, по существу, из первого титансодержащего слоя покрытия и второго алюминийсодержащего слоя покрытия, причем второй алюминийсодержащий слой покрытия наносят на первый титансодержащий слой покрытия; и
нанесения на первую последовательную систему покрытия путем химического парофазного осаждения второй последовательной системы покрытия, состоящей, по существу, из третьего алюминийсодержащего слоя покрытия и четвертого титансодержащего слоя покрытия, причем третий алюминийсодержащий слой покрытия наносят на второй алюминийсодержащий слой покрытия, а четвертый титансодержащий слой покрытия наносят на третий алюминийсодержащий слой покрытия.
22. Способ по п.21, где титансодержащий слой покрытия содержит карбонитрид титана и алюминийсодержащий слой покрытия содержит оксид алюминия.
23. Способ по п.21, где первый последовательный слой покрытия и второй последовательный слой покрытия наносят при одних и тех же температуре, давлении и продолжительности времени.
24. Способ по п.21, где титансодержащий слой покрытия первой последовательной системы покрытия и второй последовательной системы покрытия наносят при первом давлении и алюминийсодержащий слой покрытия первой последовательной системы покрытия и второй последовательной системы покрытия наносят при втором давлении, и где первое давление выше, чем второе давление.
25. Способ по п.24, где первое давление по меньшей мере в четыре раза выше, чем второе давление.
26. Способ по п.21, дополнительно включающий:
нанесение на вторую последовательную систему покрытия путем химического парофазного осаждения третьей последовательной системы покрытия, состоящей, по существу, из пятого титансодержащего слоя покрытия и шестого алюминийсодержащего слоя покрытия, причем пятый титансодержащий слой покрытия наносят на четвертый титансодержащий слой покрытия, а шестой алюминийсодержащий слой покрытия наносят на пятый титансодержащий слой покрытия; и
нанесение на третью последовательную систему покрытия путем химического парофазного осаждения четвертой последовательной системы покрытия, состоящей, по существу, из седьмого алюминийсодержащего слоя покрытия и восьмого титансодержащего слоя покрытия, причем седьмой алюминийсодержащий слой покрытия наносят на шестой алюминийсодержащий слой покрытия, а восьмой титансодержащий слой покрытия наносят на седьмой алюминийсодержащий слой покрытия.
27. Способ по п.26, дополнительно включающий:
нанесение на четвертую последовательную систему покрытия путем химического парофазного осаждения пятой последовательной системы покрытия, состоящей, по существу, из девятого титансодержащего слоя покрытия и десятого алюминийсодержащего слоя покрытия, причем девятый титансодержащий слой покрытия наносят на восьмой титансодержащий слой покрытия, а десятый алюминийсодержащий слой покрытия наносят на девятый титансодержащий слой покрытия.
