Режущий инструмент и способ его покрытия
Изобретение относится к режущему инструменту с покрытием, используемому при механической обработке с образованием стружки. Режущий инструмент покрыт одним или многими термостойкими слоями, причем определенные слои отличаются контролируемой микроструктурой и фазовым составом с плоскостями кристаллов, предпочтительно растущими в направлении относительно поверхности покрытого режущего инструмента. Указанное покрытие включает в себя один или несколько термостойких слоев, из которых по крайней мере один слой является плотным тонкозернистым слоем - Al2O3, предпочтительно структурированным в направлении (012). Режущий инструмент с указанным покрытием обладает высокой чистотой поверхности, износостойкостью и ударной вязкостью при использовании для механической обработки стали, чугуна и особенно при механической обработке чугуна с шаровидным графитом. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.
Изобретение относится к режущему инструменту с покрытием, используемому для механической обработки с образованием стружки.
В промышленности более 15 лет применяется метод "химического осаждения" (ХПО) окиси алюминия на режущие инструменты. Износостойкость Al2O3, а также других термостойких материалов широко обсуждалась в литературе. Метод ХПО используется также для образования покрытий из других окисей, карбидов и нитридов металлов, причем металл выбирается из переходных металлов групп INB, VB и VIB Периодической таблицы элементов. Многие из этих соединений нашли практическое применение в качестве износостойких или защитных покрытий, но лишь немногие из них заслужили такого большого внимания, как TiC, TiN и Al2O3. Многие годы на рынке имеются металлокерамические режущие инструменты с различными покрытиями из Al2O3, например, из чистой k-Al2O3, смеси и k- и -Al2O3 и очень крупнозернистой -Al2O3. Ни одно из этих изделий с окисным покрытием не обладает подходящей режущей способностью при использовании для механической обработки чугуна с шаровидным графитом. Такой материал трудно обрабатывать резанием, так как он налипает на режущую кромку инструмента, что приводит к последовательному и быстрому удалению покрытия с режущей кромки и, следовательно, к сокращению срока службы режущей вставки инструмента. Al2O3 кристаллизуется в несколько различных фаз: , k. , , и т.д. Двумя фазами, которые наиболее часто встречаются при образовании износостойких покрытий из Al2O3 с помощью метода ХПО, являются термодинамически устойчивая гексагональная -фаза и метастабильная k-фаза. Обычно k-фаза - тонкозернистая с величиной зерен в пределах 0,5 - 2,0 мкм и часто обладает столбчатым строением. Кроме того, покрытия из k-Al2O3 свободны от кристаллографичиеских дефектов, а также от микропор или пустот. Зерна -Al2O3 обычно крупнее и имеют величину в пределах 1 - 6 мкм в зависимости от условий осаждения. В этом случае пористость и кристаллографические дефекты являются более распространенными. В покрытии из окиси алюминия, нанесенном на режущий инструмент методом ХПО. часто присутствуют обе - и k-фазы. В промышленных режущих инструментах Al2O3 всегда нанесена на карбидную или керамическую основу, покрытую TiC (например, патент США N 3.837.896, принятый в качестве прототипа; теперь переизданный патент США N 29.420), и, следовательно, особенно важное значение имеют межповерхностные химические реакции между поверхностью TiC и покрытием из окиси алюминия. В этом контексте следует также учитывать, что слой TiC включает слои с формулой TiCxNyOz, в которых углерод в TiC полностью или частично замещен кислородом и/или азотом. Практика покрытия металлокерамических режущих инструментов окислами с целью дальнейшего увеличения их износостойкости сама по себе хорошо известна, как это доказывается например, в переизданном патенте США N 29.420 и патентах США N 4.399.168, 4.018.631, 4.490.191 и 4.463.033. В этих патентах описываются покрытые окислами тела и то, как различные предварительные обработки, например, металлокерамического сплава с покрытием из TiC увеличивают сцепление осажденного затем окисного слоя. Хотя описанные в них способы дают слои окиси алюминия, крепко и плотно связанные с металлокерамическим телом или с термостойким слоем, например, TiC, примыкающим к металлокерамическому сплаву, они не имеют особый -полиморф Al2O3, описанный в данном изобретении. Тела с покрытием из окиси алюминия описаны также в патенте США N 3.736.107 и патентах ЕПО NN 0.403.461 и 0.408.535, в которых слои Al2O3 включают в себя фазы , k и соответствующие сочетания фаз /k. Однако в этих патентах не раскрываются желательные микроструктуры и кристаллографическая структура -полиморфа, который является целью данного изобретения. Таким образом, цель изобретения - совпадение на твердой основе или предварительно на вышеупомянутом покрытии из TiCxNyOz, по крайней мере одного слоя однофазной Al2O3 полиморфа с желательными микроструктурой и кристаллографическим строением, используя подходящие условия для образования центров кристаллизации и роста в целях стабилизации указанных свойств слоя Al2O3. Другая цель изобретения - создание вставки режущего инструмента с покрытием из окиси алюминия, которая имеет улучшенную режущую способность при обработке стали, нержавеющей стали, чугуна и особенно чугуна с шаровидным графитом. На чертеже показан микроснимок при виде сверху типичного покрытия из Al2O3, соответствующего данному изобретению. Микроснимок сделан с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении в 2000 раз. Согласно данному изобретению режущий инструмент включает в себя тело из твердого сплава, на которое нанесено износостойкое покрытие. Это покрытие включает в себя один или несколько термостойких слоев, из которых по крайней мере один слой представляет собой плотный, тонкозернистый и предпочтительно структурированный слой Al2O3 полиморфа . Покрытый режущий инструмент, соответствующий изобретению, обладает улучшенными износостойкостью и ударной вязкостью по сравнению с известными инструментами при использовании для механической обработки стали или чугуна, особенно если его поверхность затем подвергается сглаживанию с помощью струи воды со взвешенным в ней абразивом. Точнее, покрытый инструмент включает в себя основу из металлокерамического тела, кермета или керамического тела, предпочтительно из по крайней мере одного карбида металла, в металлической связующей фазе. Отдельными слоями в структуре покрытия могут быть TiC или соответствующие карбид, нитрид, карбонитрид, оксикарбид и оксикаронитрид металла, выбранного из группы, состоящей из металлов в группах IVB, VB и VIB Периодической таблицы элементов, B, Al и Si и/или их смеси. По крайней мере один из этих слоев соприкасается с основой. Однако по крайней мере один из слоев в структуре покрытия включает тонкозернистый, предпочтительно структурированный слой единственной фазы -Al2O3, имеющий толщину d = 0,5 - 25 мкм с величиной зерна S: 0,5 мкм < s < 3 мкм для 2,5 мкм < d < 25 мкм. Тонкозернистая микроструктура отличается узким гранулометрическим составом. Чаще всего 80% зерна Al2O3 имеют величину зерна, равную 50% средней величины зерна. Величина зерна в покрытии из Al2O3 определена из микрограммы, снятой при виде сверху с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении в 5000 раз. Проведя три прямые линии в произвольных направлениях, среднее расстояние между границами зерен вдоль этих линий брали в качестве мерила величины зерен. Предпочтительно, чтобы слой Al2O3 согласно данному изобретению имел ориентацию роста кристаллов в направлении (012), которое определяется путем измерения дифракции рентгеновских лучей. Структурный коэффициент ТС может быть определен как где I(hkl) - измеренная интенсивность отражателя (hkl); Iо(hkl) - относительная интенсивность по данным порошковой рентгенограммы в соответствии со стандартом Американского общества по испытанию материалов (Порошковая дифракция, набор 6 - 10, карточка 173; Совместный комитет по стандартам порошковой дифракции. 1845 Walnut Street, Philadelphia, Pennsylvania 19103); n - количество отражений, использовавшихся при расчетах; использовавшиеся отражения (hkl):(012), (104), (110), (113), (024), (116). Согласно изобретению ТС для ряда плоскостей кристаллов (012) больше чем 1,3, предпочтительно больше чем 1,5. Тело с покрытием, соответствующее изобретению, отличается также тем, что шероховатость Ra термостойкого покрытия меньше 0,3 мкм по измеренной длине в 0,25 мм. Предпочтительно, чтобы слой Al2O3 был самым наружным слоем. Структурированное покрытие из Al2O3, соответствующее изобретению, получают путем тщательного контроля окислительного потенциала водородного газа-носителя до образования центров кристаллизации Al2O3. Содержание H2O в нем - предпочтительно менее 20 частей на миллион, наиболее предпочтительно - менее 5 частей на миллион. Образование центров кристаллизации Al2O3 возникает при охлаждении реакционных газов в следующем порядке: CO2; CO и Al2O3. При образовании центров кристаллизации температуру желательно поддерживать на уровне около 1000oC. Однако точные условия в определенной степени зависят от конструкции используемого оборудования. В компетенцию квалифицированного рабочего входят определение того, получена ли необходимая структура, и изменение условий осаждения в соответствии с данным техническим описанием, чтобы при желании повлиять на характер структуры. Покрытие из -Al2O3, соответствующее изобретению, - плотное и свободное от микропористости и кристаллографических дефектов в противоположность тому, что ранее сообщалось о покрытиях из -Al2O3. Пример 1. А. Металлокерамические режущие вставки с составом из 5,5% CO, 8,5% кубических карбидов и остальное - WC покрывали слоем TiCN толщиной 5 мкм. При последующих технологических стадиях одинакового цикла нанесения покрытия осаждали тонкозернистый (1 - 2 мкм) слой -Al2O3 толщиной 7 мкм. Окислительный потенциал водородного газа-носителя, т.е. концентрация водяного пара до и во время образования центров кристаллизации Al2O3 было, определенно говоря, на сравнительно низком уровне - 10 частей на миллион (также патент США N 5.071.696). Реакционную газовую смесь, включающую в себя CO2, CO и Al2O3, затем в определенном порядке добавляли к водородному газу-носителю. Газовые смеси и другие условия процесса при стадиях осаждения Al2O3 характеризуются следующим: 1. CO2, % - 4 AlCl3, % - 4 CO, % - 2 H2, % - Остальное2. CO2, % - 4
AlCl3, % - 4
H2S, % - 0,2
H2, % - Остальное
Рабочее давление, мбар - 65
Температура, oC - 1000
Продолжительность, ч
- 1
Рабочее давление, мбар - 65
Температура, oC - 1030
Продолжительность, ч
- 5,5
Рентгенографический анализ, показал, что структурный коэффициент ТС (012) равен 2,1 для плоскостей (012) в единственной -фазе покрытия из Al2O3. Покрытие из Al2O3 имело шероховатость в 0,2 мкм по длине в 0,25 мм. Б. Карбидную основу из А) покрывали TiCN /5 мкм/ и Al2O3 (7 мкм), как описано в А), за исключением того, что процесс проводили согласно известному способу с получением смеси крупных зерен - Al2O3 и мелких зерен k-Al2O3 в покрытии. B. Вставки инструментов имели такую же основу, а также состав и толщину покрытия, как и в A), за исключением того, что покрытие из Al2O3 включало в себя однофазный k-полиморф согласно известному способу. Все покрытые вставки инструментов из A), B) и C) с целью сглаживания поверхности покрытия обрабатывали струей воды с взвешенными в ней частицами Al2O3 крупностью 150 меш. Затем режущие вставки испытывали в отношении отслаивания кромки и задней поверхности резца при поперечной обточке детали из чугуна с шаровидным графитом (Американский институт черной металлургии 60-40-18, Германский промышленный стандарт GGG 40). Форма обрабатываемой детали была такой, что режущая кромка дважды прерывалась при каждом обороте. Режим резания:
Скорость, м/мин - 150
Глубина резания, мм - 2,0
Подача, об/мин - 0,1
Вставки работали на один проход по торцу обрабатываемой детали. Результаты испытания приведены в табл. 1 в виде процентной доли отслоенной режущей кромки за проход резца, а также процентного отношения площади задней поверхности, подвергшейся отслаиванию, к общей площади контакта между задней поверхностью и стружкой с обрабатываемой детали. Пример 2. Покрытые вставки из A) в примере 1 испытывали при механической обработке, включающей в себя наружную обдирку с прерывистыми проходами. Испытание проводили у конечного пользователя режущих инструментов, а обрабатываемая деталь представляла собой втулку дифференциала, изготовленную из чугуна с шаровидным графитом (Американский институт черной металлургии 60-40-18, Германский промышленный патент GGG 40). Режим резания:
Скорость, м/мин - 270 - 290
Глубина резания, мм - 2
Подача, об/мин - 0,4 - 0,55
При испытании на резание в качестве эталона использовали серийный металлокерамический режущий инструмент с таким же карбидным составом, как и в A) примера 1 и, кроме того, с покрытием из слоя TiC толщиной 2 мкм и слоя Al2O3 толщиной 6 мкм. Слой Al2O3 осаждали по известному способу с получением в покрытии смеси из крупных зерен -Al2O3 и мелких зерен k-Al2O3. Указанную серийную вставку для режущего инструмента часто используют при механической обработке чугуна с шаровидным графитом. Все вставки, использовавшиеся при вышеуказанном испытании по механической обработке втулки дифференциала, обрабатывали струей воды с взвешенными в ней частицами Al2O3 крупностью 150 меш. После механической обработки 20 деталей серийная вставка инструмента с k-покрытием показала чрезмерное отслаивание с потерей покрытия на более чем 70% кромки за проход. При использовании покрытых вставок из А) в примере 1, соответствующих данному изобретению, для механической обработки 40 деталей отслаивание наблюдалось не менее 10% кромки за проход. Пример 3. Г). Металлокерамические вставки с составом из 6,5% Co, 8,8% кубических карбидов и остальное - WC покрывали так, как описано в А) примера 1. Получали тонкозернистое плотное покрытие из -Al2O3, структурированное в направлении (012). Д). Карбидную основу из Г) покрывали так, как описано в Б) примера 1. Получали покрытие из окиси алюминия, включающее в себя смесь крупных зерен -Al2O3 и мелких зерен k-Al2O3. Все покрытые вставки инструментов из Г) и Д) с целью сглаживания поверхности покрытия обрабатывали струей воды с взвешенными частицами Al2O3 крупностью 150 меш. Затем режущие вставки испытывали в отношении отслаивания режущей кромки при поперечной обточке детали из легированной стали (Американский институт черной металлургии 1518, W-N 1.0580). Форма обрабатываемой детали была такой, что режущая кромка трижды прерывалась при каждом обороте. Режим резания:
Скорость, м/мин - 130 - 220
Глубина резания, мм - 2
Подача, об/мин - 0,2
Вставки работали на один проход по торцу обрабатываемой детали. Приведенные в табл.2 результаты выражены в виде процентной доли отслоенной кромки за проход. Пример 4. E). Металлокерамические режущие вставки c составом из 6,5% Co, 8,5% кубических карбидов и остальное - WC покрывали так, как описано в A) примера 1. Получали тонкозернистое плотное покрытие из -Al2O3 толщиной 6 мкм, структурированное в направлении (012). Ж). Карбидную основу из Е) покрывали так, как описано в Б) примера 1. Получали покрытие из окиси алюминия, включающее в себя смесь крупных зерен -Al2O3 и мелких зерен k-Al2O3. Все покрытые вставки инструментов из Е) и Ж) с целью сглаживания поверхности покрытия обрабатывали струей воды с взвешенными частицами Al2O3 крупностью 150 меш. Затем режущие вставки испытывали в отношении отслаивания задней поверхности при поперечной обточке детали из аустенитной нержавеющей стали (Американский институт черной металлургии 304L, W - N 1.4306). Обрабатываемая деталь имела трубчатую форму, а вставки делали два прохода по торцу обрабатываемой детали. Режим резания:
Скорость, м/мин - 140
Глубина резания, мм - 0 - 3
Подача, об/мин - 0,36
Приведенные в табл. 3 результаты выражены в процентном отношении площади задней поверхности, подвергшейся отслаиванию, ко всей площади контакта между стружкой и задней поверхностью вставки. Пример 5. З) Металлокерамические вставки с составом из 6,5% Co, 8,5% кубических карбидов, остальное - WC покрывали так, как описано в Е) примера 4. Получали мелкозернистое плотное покрытие из -Al2O3 толщиной 6 мкм, структурированное в направлении (012). И) Карбидную основу из З) покрывали так, как описано в Ж) примера 4. Получали покрытие из окиси алюминия, включающее смесь из крупных зерен -Al2O3 и мелких зерен K-Al2O3. Все покрытые вставки инструментов в целях сглаживания поверхности покрытия обрабатывали струей воды с взвешенными частицами Al2O3 крупностью 150 меш. Затем режущие вставки испытывали в отношении отслаивания режущей кромки при поперечной обточке детали из холоднокованной стали (Американский институт черной металлургии 5015, W - N 1.7015). Обрабатываемой деталью было зубчатое колесо, а вставки делали 16 проходов по торцу обрабатываемой детали. Режим резания:
Скорость, м/мин - 180
Глубина резания, мм - 1,5
Подача, об/мин - 0,25
Как и в предшествующих примерах, приведенные в табл. 4 результаты выражены в процентной части режущей кромки, подвергшейся отслаиванию за проход.
Формула изобретения
где I(hkl) - измеренная интенсивность отражения (hkl);
Iо(hkl) - стандартная интенсивность по данным порошковой рентгенограммы в соответствии со стандартом Американского общества по испытаниям материалов;
n - количество отражений, использовавшихся при расчете: использовавшиеся отражения (hkl) : (012), (104), (110), (113), (024), (116). 4. Инструмент по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что слой окиси алюминия является самым наружным слоем. 5. Инструмент по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что слой окиси алюминия соприкасается со слоем TiCxNyOz. 6. Инструмент по п.5, отличающийся тем, что слой TiCxNyOz является самым внутренним слоем покрытия. 7. Инструмент по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что он выполнен из металлокерамического сплава, карбонитрида на основе титана или керамики. 8. Способ покрытия режущего инструмента -окисью алюминия, при котором он вступает в контакт с водородным газом-носителем, содержащим одно или большее число галоидных соединений алюминия и гидролизующий и/или окислительный агент, при высокой температуре, отличающийся тем, что перед образованием центров кристаллизации Al2O3 окислительный потенциал водородного газа-носителя составляет предпочтительно менее 20 мас.ч. H2O млн-1, наиболее предпочтительно менее 5 мас.ч. H2O млн-1, образование центров кристаллизации Al2O3 вызывается охлаждением реакционных газов в следующем порядке CO2 CO и AlCl3 и при образовании центров кристаллизации температура составляет около 1000oC.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение
Прежний патентообладатель:
САНДВИК АБ (SE)
(73) Патентообладатель:
Сандвик Интеллекчуал Проперти ХБ (SE)
Договор № РД0008307 зарегистрирован 20.04.2006
Извещение опубликовано: 10.06.2006 БИ: 16/2006