Элемент для резания, покрытый твердым материалом

Изобретение относится к элементу для резания, покрытому твердым материалом и имеющему несколько слоев, нанесенных методом химического парофазного осаждения. Внешний слой содержит Ti_1-xAl_xN, Ti_1-xAl_xC и/или Ti_1-xAl_xCN, 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 элементу, который покрыт твердым материалом и имеет, по меньшей мере, один слой твердого материала, нанесенный 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 металлокерамического материала, снабженные покрытием поверхности, 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 твердых материалов, также известны. Например, слои оксида алюминия, расположенные на одном или более промежуточных слоях, таких как карбонитрид титана или нитрид титана, известны как покрытия, уменьшающие износ.

В документе WO 03/085152 А2 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, и при даже больших содержаниях алюминия формируется лишь более мягкая и не защищающая от износа гексагональная вюрцитовая структура.

Также известно, что слои однофазного Ti_1-xAl_xN твердого материала, где х=0,9, могут быть выполнены посредством CVD-метода с плазменной поддержкой. Однако недостатками являются неудовлетворительная гомогенность состава слоя и относительно высокое содержание хлора в слое.

Когда для производства слоев твердого материала Ti_1-xAl_xN 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 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 Ti_1-xAl_xN 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 Ti_1-xAl_xN распадается на TiN и гексагональный AlN.

В заключение, в способе, описанном в US 6238739 B1, для производства слоев Ti_1-xAl_xN , 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°С, 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 Н₂ используются как газовые смеси. В случае этого покрытия также следует допускать высокое содержание хлора - до 12 атом.%.

Для того чтобы улучшить износостойкость и коррозионную стойкость, WO 2007/003648 А1 предлагает изготовление элемента, который покрыт твердым материалом и имеет однослойную или многослойную систему покрытия, которая содержит, по меньшей мере, один слой твердого материала Ti_1-xAl_xN, нанесенный методом CVD, для чего элемент покрывают при температурах от 700°C до 900°C CVD-методом 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 Ti_1-xAl_xN с кубической структурой NaCl и стехиометрическим коэффициентом x от >0,75 до 0,93, или многофазным слоем, содержащим Ti_1-xAl_xN с кубической структурой NaCl и стехиометрическим коэффициентом x от >0,75 до 0,93 в качестве основной фазы и вюрцитовой структурой и/или структурой TiN_xNaCl в качестве дополнительной фазы. Содержание хлора находится в диапазоне от 0,05 до 0,9 атом.%. Также из этого документа известно, что слой или слои твердого материала Ti_1-xAl_xN могут содержать до 30 масс.% аморфных компонентов слоя. Полученная твердость слоев находится в диапазоне от 2500 HV до 3800 HV.

Для улучшения адгезии слоя твердого материала Ti_1-xAl_xN при высокой износостойкости в документе DE 102007000512, который не является более ранней публикацией, также предлагается, чтобы система слоев, которая наносится на тело подложки, содержала 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 Ti_1-xAl_xN. 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,

Недостатком вышеописанных покрытий является короткое время функционирования в случае прерывистого резания, такого как фрезерование, точение и сверление с прерыванием резания, в частности, когда при резании используются охлаждающие смазочные материалы.

Таким образом, задачей данного изобретения является создание элемента для резания, покрытого твердым материалом и имеющего улучшенное тепловое сопротивление и прочность при циклических нагрузках, что и является техническим результатом изобретения.

Эта задача решается посредством элемента, покрытого твердым материалом согласно пункту 1 формулы изобретения. Элемент отличается тем, что внешний слой содержит слой Ti_1-xAl_xN, Ti_1-xAl_xC и/или Ti_1-xAl_xCN, где 0,65≤x≤0,9, предпочтительно 0,7≤x≤0,9, причем этот внешний слой имеет сжимающее напряжение в диапазоне от 100 до 1100 МПа, предпочтительно от 400 до 800 МПа, при этом под этим внешним слоем расположен слой TiCN или Al₂O₃.

Было обнаружено, что слой Ti_1-xAl_xN, Ti_1-xAl_xC или Ti_1-xAl_xCN, нанесенный CVD-методом, является чрезвычайно стойким к образованию и росту трещин, как было обнаружено в случае с другими покрытиями, использовавшимися в уровне техники. Твердые сплавы, металлокерамические или керамические материалы, используемые в качестве тел подложек, имеют более низкие коэффициенты расширения, чем TiCN и Al₂O₃, в результате чего в данных слоях твердых материалов возникает напряжение растяжения при охлаждении от температур при покрытии в 900°С для TiCN и от около 1000°С для Al₂O₃. Такие напряжения растяжения частично ослабляются при формировании структур трещин. Кубический нитрид титан-алюминия или карбонитрид титан-алюминия имеет в качестве метастабильной кристаллической системы сжимающие напряжения в диапазоне от 100 до 1100 МПа, предпочтительно от 400 до 800 МПа, после охлаждения от температур покрытия и не формирует структуру трещины, что в итоге приводит к данной комбинации слоев, определенной в пункте 1 формулы, которая оказалась чрезвычайно износостойкой. Комбинация известной высокой износостойкости TiCN и низкой теплопроводности и высокой коррозионной стойкости Al₂O₃ с также очень износо и коррозионно-стойким покрытием из нитрида титан-алюминия или карбонитрида титан-алюминия в качестве внешнего слоя, имеющего остаточные сжимающие напряжения, существенно улучшает режущую износостойкость в областях применения, которые предполагают сильные изменения нагрузки и сильные температурные изменения. Примерами являются резание, а также точение и сверление с прерываниями или сверление с изменяющимся поперечным сечением реза, в частности, с использованием охлаждающих смазочных материалов.

Варианты осуществления данного изобретения описаны в зависимых пунктах.

Таким образом, слой Ti_1-xAl_xN, слой Ti_1-xAl_xC или слой Ti_1-xAl_xCN может состоять из одной фазы и иметь кубическую структуру или состоять из нескольких фаз и содержать кубическую основную фазу наряду с другой фазой вюрцитовой структуры и/или TiN со структурой NaCl.

Вышеупомянутый слой нитрида или карбонитрида титан-алюминия может иметь до 30% по массе компонентов аморфного слоя. Содержание хлора в слое нитрида титан-алюминия или слое карбонитрида титан-алюминия, предпочтительно, находится в диапазоне от 0,01 до 3 атом.%.

В еще одном варианте осуществления данного изобретения многослойное покрытие содержит слои, каждый из которых имеет толщину от 1 нм до 5 нм и одинаковый или изменяющийся, предпочтительно, периодический состав, и может также использоваться в качестве внешнего слоя. Отдельные слои в покрытии являются слоями карбонитрида титан-алюминия и нитрида титан-алюминия с общей толщиной данных слоев, формирующих самое отдаленное от центра покрытие, находящейся в диапазоне от 1 мкм до 5 мкм.

Градиент также может быть создан в отдельных слоях посредством изменения газовой среды при процессе покрытия, в результате чего содержание углерода в прилегающих областях возрастает или уменьшается непрерывно изнутри кнаружи. Общая толщина всех слоев, нанесенных на тело подложки, сформированной из твердого сплава, металлокерамического материала или керамики, должна находиться в диапазоне от 5 мкм до 25 мкм.

В целях данного изобретения слой нитрида титан-алюминия или слой карбонитрида титан-алюминия может содержать до 25% гексагонального A1N.

Для производства элемента, покрытого твердым материалом, согласно данному изобретению, элемент из твердого сплава или металлокерамического материала при температурах покрытия, находящихся в диапазоне от 700°C до 900°C, вносят в газовую среду, содержащую наряду с газом-носителем хлорид титана, метан и аммиак для нанесения TiCN или хлорид алюминия и диоксид углерода для нанесения оксида алюминия. После производства связующего слоя на одной из вышеупомянутых подложек или основном слое TiCN, на который наносят слой Al₂O₃, в газовую среду вносят хлорид алюминия, хлорид титана, аммиак или этен для нанесения самого отдаленного от центра слоя. Предпочтительные толщины слоя находятся в диапазоне от 2 до 5 мкм. Толщина слоя всех слоев находится в диапазоне от 2 до 10 мкм, предпочтительно, в диапазоне от 3 до 7 мкм.

1. Элемент для резания, имеющий несколько слоев, нанесенных методом химического парофазного осаждения, отличающийся тем, что внешний слой содержит Ti_1-xAl_xN, Ti_1-xAl_xC и/или Ti_1-xAl_xCN, где 0,65≤x≤0,9, предпочтительно 0,7≤x≤0,9, причем этот слой имеет сжимающие напряжения от 100 до 1100 МПа, предпочтительно от 400 до 800 МПа, при этом под внешним слоем расположен слой TiCN или Al₂O₃.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что слой Ti_1-xAl_xN, слой Ti_1-xAl_xC или слой Ti_1-xAl_xCN состоит из одной фазы и имеет кубическую структуру, или состоит из нескольких фаз и содержит наряду с кубической основной фазой другую фазу с вюрцитовой структурой, и/или содержит TiN.

3. Элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что во внешнем слое содержится до 30 мас.% аморфных компонентов слоя.

4. Элемент по п.1, отличающийся тем, что содержание хлора во внешнем слое находится от 0,01 до 3 ат.%.

5. Элемент по п.1, отличающийся тем, что внешний слой содержит несколько слоев, причем каждый из них имеет толщину от 1 до 5 нм и одинаковый или изменяющийся предпочтительно периодический состав, выбранный среди Ti_1-xAl_xN, Ti_1-xAl_xC или Ti_1-xAl_xCN, при этом этот внешний слой имеет общую толщину от 1 до 5 мкм.

6. Элемент по п.1, отличающийся тем, что общая толщина всех слоев, нанесенных на элемент, сформированный из твердого сплава, металлокерамики или керамики, находится от 5 до 25 мкм.

7. Элемент по п.1, отличающийся тем, что слой Ti_1-xAl_xN, слой Ti_1-xAl_xC или слой Ti_1-xAl_xCN содержит до 25% гексагонального AlN.