RU2016131091A

RU2016131091A - Покрытый оксидом алюминия режущий инструмент

Info

Publication number: RU2016131091A
Application number: RU2016131091A
Authority: RU
Inventors: Сакари РУППИ; Хиндрик ЭНГСТРЕМ; Йонас ЛАУРИДСЕН; Оскар АЛЬМ; Петер МАТССОН; Томми Ларссон; Эрик ЛИНДАЛЬ; Ян ЭНГКВИСТ; Дирк ШТИНС
Original assignee: Сандвик Интеллекчуал Проперти Аб
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2018-03-06
Also published as: JP6752147B2; CN105940141A; JP2017506163A; US10286453B2; EP3099835A1; RU2675190C2; WO2015114049A1; BR112016017381A2; RU2016131091A3; US20170008092A1; BR112016017381B1; KR102375081B1; KR20160113138A

Claims

1. Режущая пластина с покрытием, состоящая из подложки, содержащей цементированный карбид, кермет, керамику, сталь или кубический нитрид бора, имеющей осажденное на нее покрытие с общей толщиной максимум 60 мкм, состоящее из одного или более слоев, включая износостойкий слой α-Al₂O₃ толщиной 1-45 мкм, осажденный методом химического осаждения из газовой фазы (CVD),

отличающаяся тем, что

при наблюдении на РЭМ-микрофотографии поперечного сечения слоя α-Al₂O₃ этот слойα-Al₂O₃ содержит по меньшей мере две части, первую часть толщины и вторую часть толщины непосредственно поверх первой части толщины,

причем первая часть толщины имеет по существу столбчатую структуру зерен α-Al₂O₃, а на переходе от первой части толщины ко второй части толщины границы зерен по меньшей мере 1 из 25 соседних зерен, предпочтительно по меньшей мере 5 из 25 соседних зерен, более предпочтительно по меньшей мере 15 из 25 соседних зерен α-Al₂O₃ претерпевают изменение направления на направление, которое по существу перпендикулярно границам зерен в первой части толщины, причем по существу перпендикулярно включает в себя изменение направления, составляющее 90±45 градусов, предпочтительно, 90±30 градусов.

2. Режущая пластина с покрытием по п. 1, причем слой α-Al₂O₃, по меньшей мере в первой части толщины, обладает предпочтительным направлением роста зерен α-Al₂O₃ вдоль кристаллографического направления <0 0 1> или перпендикулярно кристаллографической плоскости {0 1 2} или {1 0 4} или {0 1 0}.

3. Режущая пластина с покрытием по любому из пп. 1 или 2, причем по меньшей мере 70%, предпочтительно по меньшей мере 80%, более предпочтительно по меньшей мере 90% кристаллов α-Al₂O₃, доходящих до внешней поверхности слоя α-Al₂O₃, завершаются гранями, перпендикулярными оси, расположенной в пределах 0-35 градусов, предпочтительно в пределах 0-20 градусов, более предпочтительно в пределах 0-10 градусов от нормали к поверхности подложки, причем предпочтительно, эти грани, завершающие кристаллы α-Al₂O₃, представляют собой кристаллографические плоскости {0 0 1}.

4. Режущая пластина с покрытием по любому из предыдущих пунктов, причем внешняя поверхность слоя α-Al₂O₃ обладает следующими характеристиками шероховатости поверхности:

i) шероховатость поверхности R_a от 0,05 до 0,2 мкм, предпочтительно от 0,05 до 0,15 мкм, когда слой α-Al₂O₃ обладает толщиной 8 мкм или более;

ii) шероховатость поверхности R_a от 0,03 до 0,2 мкм, предпочтительно от 0,03 до 0,10 мкм, когда слой α-Al₂O₃ обладает толщиной менее 8 мкм,

при этом шероховатость поверхности измерена на слое α-Al₂O₃ в состоянии после осаждения, без верхних слоев и без какой-либо последующей обработки.

5. Режущая пластина с покрытием по любому из предыдущих пунктов, причем общая волокнистая текстура всего слоя α-Al₂O₃ характеризуется коэффициентом текстуры TC (0 0 12) > 3, причем TC (0 0 12) задан следующим образом:

,

где

(h k l) - измеренная интенсивность отражения (hkl)

I₀ (h k l) - стандартная интенсивность стандартных данных порошковой дифракции согласно JCPDF-карточке № 42-1468

n - число отражений, используемое в расчете, при этом используемыми отражениями (hkl) являются: (0 1 2), (1 0 4), (1 1 0), (1 1 3), (1 1 6), (3 0 0) и (0 0 12).

6. Режущая пластина с покрытием по любому из предыдущих пунктов, причем покрытие содержит верхний слой толщиной от 0,05 до 3 мкм, предпочтительно от 0,2 до 2 мкм, более предпочтительно от 0,5 до 1,5 мкм, предпочтительно осажденный методом CVD или PVD, поверх слоя α-Al₂O₃, причем верхний слой содержит один или более слоев, выбранных из группы, состоящей из TiN, TiC, TiCN, ZrN, ZrCN, HfN, HfCN, VC, TiAlN, TiAlCN и AlN, или их многослойные пакеты, и/или

при этом покрытие содержит один или более огнеупорных слоев на подложке и под слоем α-Al₂O₃, причем эти один или более огнеупорных слоев состоят из карбида, нитрида, карбонитрида, оксикарбонитрида или борокарбонитрида одного или более металлов, выбранных из группы, состоящей из Ti, Al, Zr, V и Hf, или их сочетаний, осажденных методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) или химического осаждения из газовой фазы при умеренных температурах (MT-CVD), и каждый огнеупорный слой обладает толщиной от 0,5 до 20 мкм, предпочтительно от 1 до 10 мкм, и/или

при этом первый огнеупорный слой, находящийся непосредственно поверх и в контакте с поверхностью подложки, выбран из группы, состоящей из Ti(C, N), TiN, TiC, Ti(B, C, N), HfN и Zr(C, N), или их сочетаний, предпочтительно, первый огнеупорный слой, прилегающий к поверхности подложки, состоит из Ti(C, N), и/или

при этом огнеупорный слой, находящийся непосредственно под и в контакте со слоем α-Al₂O₃, состоит из кубического (Ti, Al)N, кубического (Ti, Al)(C, N) или из многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев кубического (Ti, Al)N или кубического (Ti, Al)(C, N) и одного или более огнеупорных слоев, состоящих из карбида, нитрида, карбонитрида, оксикарбонитрида или борокарбонитрида одного или более из Ti, Zr, V и Hf, или их сочетаний.

7. Режущая пластина с покрытием по любому из предыдущих пунктов, причем подложка состоит из цементированного карбида, предпочтительно из цементированного карбида, состоящего из 4-12 мас.% Co, необязательно 0,3-10 мас.% кубических карбидов, нитридов или карбонитридов металлов из групп IVb, Vb и VIb Периодической таблицы, предпочтительно Ti, Nb, Ta или их сочетаний, а остальное WC.

8. Режущая пластина с покрытием по любому из предыдущих пунктов, причем подложка, состоящая из цементированного карбида, содержит обогащенную связующей фазой поверхностную зону с толщиной 5-30 мкм, предпочтительно 10-25 мкм, от поверхности подложки, причем обогащенная связующей фазой поверхностная зона обладает содержанием Co, которое по меньшей мере в 1,5 раза выше, чем в сердцевине подложки, и обладает содержанием кубических карбидов, которое составляет менее чем 0,5 от содержания кубических карбидов в сердцевине подложки.

9. Способ изготовления режущей пластины с покрытием, содержащий этапы нанесения на подложку, содержащую цементированный карбид, кермет, керамику, сталь или кубический нитрид бора, покрытия с общей толщиной максимум 60 мкм, содержащего один или более слоев, включая износостойкий слой α-Al₂O₃ толщиной 1-45 мкм, осажденный методом химического газофазного осаждения (CVD) из реакционной газовой смеси,

отличающийся тем, что

процесс осаждения слоя α-Al₂O₃ содержит по меньшей мере этапы

осуществления осаждения первой части толщины слоя α-Al₂O₃ при первых условиях процесса для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом вдоль первого кристаллографического направления и

изменения условий осаждения для осуществления осаждения второй части толщины слоя α-Al₂O₃ при вторых условиях процесса, применимых для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом вдоль второго кристаллографического направления, по существу перпендикулярного упомянутому выше первому кристаллографическому направлению, при этом осаждение при вторых условиях осаждения завершает процесс осаждения слоя α-Al₂O₃.

10. Способ по п. 9, в котором упомянутый слой α-Al₂O₃ осаждают методом химического газофазного осаждения (CVD) из реакционной газовой смеси, содержащей H₂, CO₂, AlCl₃, HCl и X, где X выбран из группы, состоящей из H₂S, SF₆ и SO₂, или их сочетаний, а реакционная газовая смесь дополнительно необязательно содержит добавки N₂, Ar, CO или их сочетаний,

отличающийся тем, что

осуществления осаждения первой части толщины слоя α-Al₂O₃ при первых условиях процесса для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом вдоль кристаллографического направления <0 0 1> и

изменения условий осаждения для осуществления осаждения второй части толщины слоя α-Al₂O₃ при вторых условиях процесса, применимых для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом вдоль кристаллографического направления, по существу перпендикулярного кристаллографическому направлению <0 0 1>, предпочтительно вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <1 0 0>, при этом осаждение при вторых условиях осаждения завершает процесс осаждения слоя α-Al₂O₃.

11. Способ по любому из пп. 9 или 10, в котором осаждение слоя α-Al₂O₃ при первых условиях процесса для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления <0 0 1> осуществляют в течение периода времени от 1 до 20 часов, предпочтительно от 2 до 12 часов, более предпочтительно от 3 до 7 часов, а осаждение слоя α-Al₂O₃ при вторых условиях процесса, применимых для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом кристаллов по существу перпендикулярно кристаллографическому направлению <0 0 1>, предпочтительно вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <1 0 0>, осуществляют в течение периода времени от 5 мин до 3 часов, предпочтительно от 10 мин до 2 часов, более предпочтительно от 15 мин до 1 часа, и/или

при этом осаждение слоя α-Al₂O₃ при первых условиях процесса осуществляют для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления <0 0 1> до толщины от примерно 2 мкм до примерно 45 мкм, предпочтительно от примерно 3 мкм до примерно 15 мкм, более предпочтительно от примерно 5 мкм до примерно 12 мкм, а осаждение слоя α-Al₂O₃ при вторых условиях процесса предпочтительно осуществляют до толщины, составляющей примерно 5-30% от толщины слоя α-Al₂O₃, осажденного при первых условиях процесса.

12. Способ по любому из пп. 9-11, в котором

первые условия процесса в реакционной камере CVD для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления <0 0 1> включают в себя

давление в диапазоне от 10 до 100 мбар, предпочтительно от 30 до 80 мбар,

температуру в диапазоне от 800°C до 1050°C, предпочтительно от 930°C до 1030°C,

и концентрации реакционных газов в диапазонах

от 2% до 7,5%, предпочтительно от 3% до 5% CO₂,

от 0,5% до 5%, предпочтительно от 1,5% до 4% HCl,

от 0,5% до 5%, предпочтительно от 1,8% до 4% AlCl₃ и

от 0,2% до 1,1%, предпочтительно от 0,3% до 0,6% X,

а вторые условия процесса в реакционной камере CVD, применимые для осаждения слоя α-Al₂O₃ с предпочтительным ростом кристаллов по существу перпендикулярно кристаллографическому направлению <0 0 1>, предпочтительно вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <1 0 0>, включают в себя

давление в диапазоне от 100 до 300 мбар, предпочтительно от 150 до 250 мбар,

более 5% CO₂,

от 5% до 25%, предпочтительно от 5% до 12% HCl,

от 0,5% до 3%, предпочтительно от 1,0% до 1,8% AlCl₃ и

менее 0,35%, предпочтительно менее 0,25% X.

13. Способ по любому из пп. 9-12, в котором в первых условиях процесса и/или во вторых условиях процесса в реакционной камере CVD для осаждения слоя α-Al₂O₃ компонент X представляет собой сочетание H₂S и SF_6, при этом объемная доля SF₆ не превышает 15% от объемного количества H₂S.

14. Способ по любому из пп. 9-13, в котором первые условия процесса и/или вторые условия процесса в реакционной камере CVD для осаждения слоя α-Al₂O₃ содержат добавление N₂, Ar, CO или их сочетаний, при этом сумма объемных долей N₂, Ar и CO не превышает 20% от общего объемного количества H₂ в реакционной газовой смеси.

15. Способ по любому из пп. 9-14, содержащий

осаждение верхнего слоя поверх слоя α-Al₂O₃ и/или

осаждение одного или более огнеупорных слоев на подложке и под слоем α-Al₂O₃ и/или

осаждение первого огнеупорного слоя непосредственно поверх и в контакте с поверхностью подложки,

причем соответствующие слои охарактеризованы в пп. 7-10.

16. Режущая пластина с покрытием, получаемая или полученная способом по любому из пп. 9-15.