Элемент, покрытый твердым материалом


 


Владельцы патента RU 2491368:

КЕННАМЕТАЛ ИНК. (US)

Изобретение относится к элементу для резания, имеющему несколько слоев, нанесенных методом химического парофазного осаждения. На упомянутый элемент нанесен слой Ti1-xAlxN и/или Ti1-xAlxC, и/или Ti1-xAlxCN, где x находится в диапазоне от 0,65 до 0,95, на который нанесен слой Al2O3 в виде внешнего слоя. Получается элемент, обладающий покрытием с лучшим термоизоляционным эффектом в отношении теплопереноса. 7 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к элементу, который покрыт твердым материалом и имеет несколько слоев из твердого материала, нанесенных методом химического парофазного осаждения (CVD).

Режущие инструменты для металлорежущих станков должны соответствовать растущим требованиям касательно твердости и прочности, в частности, при режущей обработке твердых или труднообрабатываемых материалов, таких как отпущенные или закаленные стали, посредством обработки на высоких скоростях резания. Материал режущего инструмента должен быть, в частности, износостойким, что в прошлом приводило к тому, что тела подложек на основе твердого сплава или металлокерамики, снабженные защитным покрытием с, первоначально, карбидами, нитридами или карбонитридами титана или позднее, также, слоями оксида алюминия, использовались в качестве покрытий, защищающих от износа. Многослойные покрытия, защищающие от износа, состоящие из различных твердых материалов, также известны. Например, слои оксида алюминия, расположенные на одном или более промежуточных слоев, таких как карбонитрид титана или нитрид титана, известны как покрытия, уменьшающие износ.

В документе WO 03/085152 A2 раскрыто использование слоя Ti-Al-N, который может быть выполнен методом осаждения из паровой фазы (PVD) как монофазный слой с содержанием алюминия до 60%. При более высоких содержаниях алюминия как в смеси кубического и гексагонального TiAlN, так и при даже больших содержаниях алюминия формируется лишь более мягкая и не защищающая от износа гексагональная вюрцитовая структура.

Также известно, что слои однофазного твердого материала Ti1-xAlx-N, где x=0,9, могут быть выполнены посредством CVD-метода с плазменной поддержкой. Однако, недостатками являются неудовлетворительная гомогенность состава слоя и относительно высокое содержание хлорина в слое.

Когда для производства слоев твердого материала Ti1-xAlxN использовались PVD-метод или плазменный метод CVD, использование данных слоев было ограничено температурами до 700°C. Недостаток заключается в том, что покрытие компонентов со сложными формами представляет трудности. PVD-процесс представляет собой направленный процесс, при котором сложные формы покрываются неравномерно. Плазменный метод CVD требует высокой гомогенности плазмы, поскольку плотность энергии плазмы оказывает непосредственное влияние на соотношение атомов Ti/Al в слое. Производство однофазных кубических слоев Ti1-xAlx-N с высоким содержанием алюминия невозможно посредством CVD-процессов, используемых в промышленности.

Осаждение TiAl посредством стандартного CVD-процесса при температурах свыше 1000°C также невозможно, поскольку при таких высоких температурах метастабильный Ti1-xAlxN распадается на TiN и гексагональный AlN.

В заключение в способе, описанном в US 6238739 B1, для производства слоев Ti1-xAlxN, где x находится в диапазоне от 0,1 до 0,6 посредством термического CVD-процесса без помощи плазмы при температурах в диапазоне от 550°C до 650°C, выявлено ограничение, заключающееся в относительно малом содержании алюминия со значением x≤0,6. В описанном здесь способе хлориды алюминия и хлориды титана, а также NH3 и H2 используются как газовые смеси. В случае этого покрытия также следует допускать высокое содержание хлорина - до 12 атом.%.

Для того чтобы улучшить износостойкость и коррозионную стойкость, WO 2007/003648 A1 предлагает изготовление элемента, который покрыт твердым материалом и имеет однослойную или многослойную систему покрытия, которая содержит, по меньшей мере, один слой твердого материала Ti1-xAlxN, нанесенный методом CVD, для чего элемент покрывают при температурах от 700°C до 900°C методом CVD без возбуждения плазмы в реакторе, при этом галогениды титана, галогениды алюминия и реакционноспособные соединения азота, которые смешаны при повышенной температуре, используются как исходные реагенты. В результате этого получается элемент с однофазным слоем твердого материала Ti1-xAlxN с кубической структурой NaCl и стехиометрическим коэффициентом x от >0,75 до 0,93, или многофазным слоем, содержащим Ti1-xAlxN с кубической структурой NaCl и стехиометрическим коэффициентом x от >0,75 до 0,93 в качестве основной фазы и вюрцитовой структурой и/или структурой TiNxNaCl в качестве дополнительной фазы. Содержание хлорина находится в диапазоне от 0,05 до 0,9 атом.%. Также из этого документа известно, что может быть получен слой твердого материала Ti1-xAlxN или слои, содержащие до 30% по массе компонентов аморфного слоя. Твердость полученных слоев находится в диапазоне от 2500 HV до 3800 HV.

Для улучшения адгезии слоя твердого материала Ti1-xAlxN при высокой износостойкости в документе DE 10 2007 000 512, который не является более ранней публикацией, также предлагается, что система слоев, которая наносится на тело подложки, содержит связующий слой из нитрида титана, карбонитрида титана или карбида титана, нанесенного на элемент, с последующим фазовым градиентным слоем и, наконец, внешний слой из однофазного или многофазного слоя твердого материала Ti1-xAlxN. Фазовый градиентный слой содержит на своей стороне, обращенной к связующему слою, фазовую смесь TiN/h-AlN, и с увеличением толщины слоя увеличивается содержание фазы fcc-TiAlN в количестве более 50%, с чем связано одновременное уменьшение в содержании фаз TiN и h-AlN.

Помимо износостойкости и коррозионной стойкости слоя на теле подложки из твердого сплава, металлокерамики особо важное значение имеет термоустойчивость покрытия для использования данного материала при режущей обработке, в частности, на высоких скоростях резания. В области режущей кромки режущей пластины, при обработке твердых заготовок, возникают температуры значительно выше 1000°C. При таких температурах значительный эффект имеют различные коэффициенты расширения подложек между отдельными слоями. Между отдельными слоями возникают напряжения и, поскольку высокая температура передается посредством теплового переноса от внешнего слоя к телу подложки, в самом неблагоприятном случае произойдет отделение покрытия, что сделает режущую пластину непригодной для использования.

Таким образом, задачей данного изобретения является предоставление элемента, покрытого твердым материалом, покрытие которого имеет лучший термоизоляционный эффект в отношении теплопереноса, как результат подбора отдельных слоев.

Задача достигается при помощи элемента, покрытого твердым материалом, согласно пункту 1 формулы изобретения. Элемент, покрытый твердым материалом, имеет несколько слоев со слоем Al2O3, расположенных в виде внешнего слоя на Ti1-xAlxN и/или Ti1-xAlxC, и/или на слое Ti1-xAlxCN, где х находится в диапазоне от 0,65 до 0,95.

Использование слоя Ti1-xAlxN, Ti1-xAlxC или Ti1-xAlxCN вместо слоя TiCN, как обычно происходило в уровне техники, имеет преимущество в том, что теплопроводность слоя, расположенного под слоем Al2O3, примерно на 80% ниже, таким образом, слой Ti1-xAlxN, Ti1-xAlxC или -CN обеспечивает значительно лучшую тепловую изоляцию тела подложки. Внешний слой Al2O3 также более коррозионностойкий и, в сравнении с внешним слоем TiCN, примерно на 50% тверже - таким образом достигается более высокая износостойкость.

Кроме того, как ни удивительно, было обнаружено, что слой Ti1-xAlxN, Ti1-xAlxC или -CN в качестве промежуточного слоя не имеет склонности к образованию трещин, в отличие от промежуточных слоев TiN или TiCN, таким образом не формируется неблагоприятная типичная система трещин, как это было в уровне техники. В частности, в случае прерывистого резания, улучшенная сопротивляемость формированию трещин продлевает время функционирования.

Слой Ti1-xAlxCN, Ti1-xAlxC или Ti1-xAlxCN может состоять из одной фазы и иметь кубическую структуру или может состоять из нескольких фаз и в дополнение к основной кубической фазе иметь дополнительную фазу с вюрцитовой структурой и/или состоящую из TiN. Аморфные компоненты слоя могут присутствовать до 30 масс.%. Содержание хлорина находится в диапазоне от 0,01 до 3 атом.%.

В еще одном варианте осуществления изобретения слой TiN и/или TiCN может использоваться в качестве слоя, связующего с телом подложки, которая содержит твердый сплав, металлокерамику или керамику, так, чтобы последовательность слоев изнутри кнаружи представляла собой TiN- или TiCN-TiAlC(N)-Al2O3.

В целях данного изобретения также возможны слои TiCN между внешним слоем Al2O3 и слоем Ti1-xAlxN, слоем Ti1-xAlxC или слоем Ti1-xAlxCN.

Содержание алюминия, определенного как металл, составляет, предпочтительно, от 70% до 90%. Толщина слоя Ti1-xAlxN, слоя Ti1-xAlxC или слоя Ti1-xAlxCN может варьироваться в диапазоне от 2 мкм до 10 мкм, предпочтительно, в диапазоне от 3 мкм до 7 мкм. Вышеупомянутый слой также может содержать долю гексагонального нитрида алюминия в количестве не более 25%.

В целях данного изобретения также возможно вместо одного промежуточного слоя иметь многослойный промежуточный слой, состоящий из одного или более двойных слоев или тройных слоев типа (Ti1-xAlxN, Ti1-xAlxC, Ti1-xAlxCN)n, где n - натуральное число. Периодический слой TiAlN/TiAlCN/TiAlC, в таком случае, имеет общую толщину, заданную суммой толщин всех отдельных слоев, находящихся в диапазоне от 1 нм до 5 нм. Общая толщина, предпочтительно, должна находиться в диапазоне от 1 мкм до 5 мкм. В самом простом случае последовательно наносят тонкие отдельные слои Ti1-xAlxN или Ti1-xAlxCN или Ti1-xAlxC, имеющие толщину всего несколько нм, до тех пор, пока не будет достигнута желаемая общая толщина в диапазоне от 1 мкм до 5 мкм. Однако также возможно иметь систему периодических слоев, выполненную из вышеупомянутых соединений, включая слои, которые имеют подслои, имеющие градиент, в которых содержание С уменьшается или увеличивается по направлению кнаружи.

Слой TiAlN, TiAlC или TiAlCN может содержать до 30% аморфных компонентов и иметь содержание хлорина до 3 атом.%.

Для производства покрытого элемента тело подложки, содержащее твердый сплав, металлокерамику или керамику, подвергается покрытию методом химического парофазного осаждения при температурах покрытия, находящихся в диапазоне от 650°C до 900°C при внесении в газовую среду хлорида титана и хлорида алюминия, а также аммиака для производства слоя TiAlN. После того как был выполнен первый слой с толщиной от 2 мкм до 10 мкм, предпочтительно от 3 мкм до 7 мкм, стандартным способом посредством CVD-процесса наносится слой Al2O3 с толщиной, по меньшей мере, 2 мкм, но не более 10 мкм.

1. Элемент для резания, имеющий несколько слоев, нанесенных методом химического парофазного осаждения, отличающийся тем, что нанесен слой Ti1-xAlxN и/или Ti1-xAlxC, и/или Ti1-xAlxCN, где x находится в диапазоне от 0,65 до 0,95, на который нанесен слой Al2O3 в виде внешнего слоя.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что он содержит слой TiN и/или слой TiCN в качестве слоя, связующего с телом подложки, которая содержит твердый сплав, металлокерамику или керамику.

3. Элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что между внешним слоем Al2O3 и слоем Ti1-xAlxN, слоем Ti1-xAlxC или слоем Ti1-xAlxCN расположен слой TiCN.

4. Элемент по п.1, отличающийся тем, что x в слое Ti1-xAlxN, слое Ti1-xAlxC или слое Ti1-xAlxCN является таким, что 0,7≤x≤0,9.

5. Элемент по п.1, отличающийся тем, что под слоем Al2O3 расположен многослойный промежуточный слой, состоящий из одного или более двойных или тройных слоев из группы (Ti1-xAlxN, Ti1-xAlxCN, Ti1-xAlxC)n,

6. Элемент по п.1, отличающийся тем, что толщина внешнего слоя находится в диапазоне от 1 мкм до 5 мкм, а толщина слоя Ti1-xAlxN, Ti1-xAlxC или Ti1-xAlxCN находится в диапазоне от 1 мкм до 5 мкм.

7. Элемент по п.2 или 5, отличающийся тем, что толщина внешнего слоя находится в диапазоне от 1 мкм до 5 мкм, толщина слоя Ti1-xAlxN, Ti1-xAlxC или Ti1-xAlxCN находится в диапазоне от 1 мкм до 5 мкм, а толщина связующих или промежуточных слоев находится в диапазоне от 1 мкм до 5 мкм.

8. Элемент по п.1, отличающийся тем, что слой Ti1-xAlxN или Ti1-xAlxCN содержит не более чем 25% гексагонального AlN.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области упрочнения режущего твердосплавного инструмента и может быть использовано в машиностроении, в частности в технологии металлообработки.

Изобретение относится к области полупроводниковой нанотехнологии, к области тонкопленочного материаловедения, а именно к устройствам для нанесения тонких пленок и диэлектриков.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к электротехническим текстурованным листовым сталям. .
Изобретение относится к области ИК-оптики и касается разработки способа получения монолитных образцов поликристаллического сульфида цинка, используемых в оптике видимого и ИК-излучения в качестве материала для конструкционных оптических элементов.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к режущим инструментам, применяемым при токарной обработке, фрезеровании, сверлении и др. .

Изобретение относится к созданию инструмента из цементированного карбида с износостойким покрытием, полученным осаждением из газовой фазы, который используется в металлообработке с образованием стружки.

Изобретение относится к режущему инструменту с алюмоксидным покрытием для механической обработки металлов со снятием стружки. .
Изобретение относится к области металлургии, к способам изготовления композиционных твердосплавных слоистых материалов. .
Изобретение относится к элементу для резания, покрытому твердым материалом и имеющему несколько слоев, нанесенных методом химического парофазного осаждения. Внешний слой содержит Ti1-xAlxN, Ti1-xAlxC и/или Ti1-xAlxCN, где 0,65≤x≤0,9, предпочтительно 0,7≤x≤0,9. Упомянутый слой имеет сжимающие напряжения в диапазоне от 100 до 1100 МПа, предпочтительно от 400 до 800 МПа. Под внешним слоем расположен слой TiCN или Аl2О3. Элемент для резания имеет улучшенное тепловое сопротивление и прочность при циклических нагрузках. 6 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к пластине для режущего инструмента, предназначенной для обточки закаленных и инструментальных сталей. Пластина для режущего инструмента содержит корпус из твердого сплава и покрытие. Твердый сплав, из которого выполнен корпус пластины, содержит WC, от 4,0 до 7,0 вес. % Со, предпочтительно от 4,5 до 6,0 вес. % Со, от 0,25 до 0,50 вес. % Cr, предпочтительно от 0,30 до 0,45 вес. % Cr, при этом величина S составляет от 0,68 до 0,88, предпочтительно от 0,7 до 0,8, а коэрцитивность, Нс, - от 28 до 38 кА/м, предпочтительно от 30 до 34 кА/м. Покрытие имеет толщину от 11 до 24 мкм и нанесено на корпус посредством CVD. По меньшей мере самый верхний слой покрытия представляет собой слой α-Al2O3 толщиной от 7 до 12 мкм, предпочтительно от 8 до 11 мкм, текстурированный в направлении <006> с текстурным коэффициентом ТС(006)>2, предпочтительно >4 и <8, одновременно, при этом все текстурные коэффициенты ТС(012), ТС(110), ТС(113), ТС(202), ТС(024) и ТС(116)<1, а TC(104) представляет собой второй наивысший текстурный коэффициент, причем ТС(hkl), определяется по следующей формуле: T C ( h k l ) = I ( h k l ) / I 0 ( h k l ) [ 1 / n ∑ n = 1 n I ( h k l ) / I 0 ( h k l ) ] − 1 , где I(hkl) - измеренная интенсивность отражения (hkl), I0(hkl) - стандартная интенсивность согласно JCPDS, карта № 46-1212, n - количество отражений, использованных в расчете, при этом использованные отражения (hkl) включают (012), (104), (110), (006), (113), (202), (024) и (116). Упомянутая пластина применяется в качестве пластины для обточки закаленных или инструментальных сталей с твердостью, составляющей от 40 HRC до 60 HRC, используемой во влажных и сухих условиях для глубины резания от 0,3 до 3 мм со скоростью резания от 70 до 250 м/мин и подачей от 0,1 до 0,6 мм/об. Изготовленная пластина для режущего инструмента имеет высокие значения стойкости к деформации, сопротивления износу и вязкости. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил., 5 табл., 5 пр.

Изобретение относится к технологии производства сосудов с покрытием для хранения биологически активных веществ и крови, а именно к способу получения покрытия на внутренней поверхности сосуда, к покрытию, полученному на внутренней поверхности сосуда, выполненного из полимерного соединения, стекла или плавленого кварца, и к сосуду с упомянутым покрытием для хранения биологически активных соединений или крови, и может быть использовано для защиты биологически активных соединений или крови от механических и/или химических воздействий поверхности материала сосуда без покрытия. Способ включает обеспечение газообразного реагента, содержащего кремнийорганический предшественник и необязательно O2, вблизи поверхности подложки и возбуждение плазмы из упомянутого газообразного реагента для обеспечения усиленного плазмой парофазного химического осаждения (PECVD) покрытия SiwOxCy толщиной до 1000 нм, в котором w составляет 1, x составляет от 0,5 до 2,4 и y составляет от 0,6 до 3. Атомные соотношения измерены с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Смазывающую характеристику покрытия, силу трения скольжения, задают с помощью соотношения O2 к кремнийорганическому предшественнику в газообразном реагенте и/или с помощью величины электрической энергии, используемой для возбуждения плазмы. Обеспечивается производство улучшенных сосудов с покрытием, обладающим смазывающими, гидрофобными или барьерными свойствами. 6 н. и 26 з.п. ф-лы, 62 ил., 21 табл., 21 пр.
Изобретение относится к способу покрытия, по меньшей мере, внутренней поверхности поршневого кольца, а также к поршневому кольцу. Способ нанесения износостойкого покрытия на поверхность поршневого кольца, которое выполнено из чугуна или стали, по меньшей мере, частично, по меньшей мере, на его внутреннюю поверхность, в котором наносят по меньшей мере один промежуточный слой а-С:Н:Х, где X - кремний, германий, фтор, бор, кислород и/или азот, и наносят слой осаждением из газовой фазы (PVD-слой), содержащий нитриды и/или карбиды хрома, титана, алюминия и/или вольфрама, осажденные по очереди или одновременно, и/или DLC-слой, состоящий из по меньшей мере одного или всех следующих слоев: адгезионного слоя из хрома и/или титана толщиной 1,0 мкм или меньше, по меньшей мере одного металлсодержащего промежуточного слоя а-С:Н:Ме, где Ме - вольфрам, титан и/или хром, или а-С:Н:Х, где X - кремний, германий, фтор, бор, кислород и/или азот, толщиной от 0,1 мкм до 5 мкм и не содержащего металлов верхнего слоя а-С:Н толщиной от 0,1 мкм до 5 мкм. Обеспечивается улучшение фрикционных свойств и/или характеристик износа по меньшей мере одного компонента, состоящего из двух частей маслосъемного поршневого кольца. 3 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к способу получения прозрачной барьерной многослойной системы. Проводят осаждение по меньшей мере в одной вакуумной камере. На прозрачную полимерную пленку осаждают по меньшей мере два прозрачных барьерных слоя и один размещенный между обоими барьерными слоями прозрачный промежуточный слой. Для осаждения барьерных слоев испаряют алюминий в присутствии плазмы полого катода и одновременно в вакуумную камеру вводят по меньшей мере один первый реакционный газ. В качестве промежуточного слоя осаждают кремнийсодержащий слой с помощью PECVD-процесса с использованием плазмы полого катода. Обеспечивается получение прозрачной барьерной многослойной системы с высоким герметизирующим действием, а также с высокой скоростью нанесения. 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к способу многослойного барьерного покрытия в виде системы прозрачных слоев. Проводят осаждение в вакуумной камере на прозрачной полимерной пленке по меньшей мере двух прозрачных барьерных слоев и одного расположенного между упомянутыми двумя барьерными слоями прозрачного промежуточного слоя. Осаждение барьерных слоев осуществляют испарением алюминия, причем одновременно в вакуумную камеру напускают по меньшей мере один первый реактивный газ. Осаждение промежуточного слоя осуществляют испарением алюминия, причем одновременно в вакуумную камеру напускают по меньшей мере один второй реактивный газ и один газообразный или парообразный органический компонент. Обеспечивается изготовление многослойного барьерного покрытия в виде системы прозрачных слоев покрытия, обладающего высоким запирающим действием по отношению к кислороду и водяному пару. 6 з.п. ф-лы, 1 пр.
Наверх