RU2418882C2

RU2418882C2 - Procedure for surface treatment of cutting tool

Info

Publication number: RU2418882C2
Application number: RU2009129527/02A
Authority: RU
Inventors: Донг Гил АХН (KR); Донг Гил АХН; Дзоо Ван ЛИ (KR); Дзоо Ван ЛИ
Original assignee: Таегутек Лтд.
Priority date: 2007-01-02
Filing date: 2007-01-02
Publication date: 2011-05-20
Also published as: RU2009129527A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: procedure consists in formation of ceramic coating with end layer k-Al₂O₃ or TiN, located on k-Al₂O₃ layer, or α-Al₂O₃, or TiN, located on α-Al₂O₃ layer. Ceramic coating is radiated with electron beam for instant melting at least part of end layer. The cutting tool with multi-layer ceramic coating contains layer of k-Al₂O₃ and the end layer α-Al₂O₃, also, layer α-Al₂O₃ is produced by transformation of part of the layer K-Al₂O₃ during radiation with electron beam.

EFFECT: reduced surface roughness and reduced resistance to cutting and adhesion to part, which facilitates longer service life of cutting tool.

16 cl, 5 dwg, 2 tbl

Description

Настоящее изобретение относится в целом к способу обработки поверхности режущего инструмента, более конкретно к способу поверхностной обработки слоя керамического покрытия режущего инструмента с помощью электронного пучка.The present invention relates generally to a method for surface treatment of a cutting tool, and more particularly, to a method for surface treatment of a ceramic coating layer of a cutting tool using an electron beam.

Керамика широко используется как материал покрытия для твердосплавных режущих инструментов, так как ее механические свойства нелегко ухудшить даже при высоких температурах. Хотя существует множество керамических кроющих материалов, среди таких материалов особенно хорошо известен оксид алюминия (Al₂O₃) за его отличную термостабильность, твердость и износостойкость.Ceramics are widely used as a coating material for carbide cutting tools, as their mechanical properties are not easily degraded even at high temperatures. Although there are many ceramic coating materials, alumina (Al ₂ O ₃ ) is particularly well known among such materials for its excellent thermal stability, hardness and wear resistance.

Из различных фаз оксида алюминия фаза α-Al₂O₃ имеет отличную термостойкость и износостойкость. Таким образом, на поверхности режущего инструмента предпочтительно формировать слой покрытия из α-Al₂O₃. Однако сформировать слой α-Al₂O₃ на поверхности режущего инструмента труднее, чем слой κ-Al₂O₃. Кроме того, слой покрытия из α-Al₂O₃ можно образовать только после того, как на основание режущего инструмента будет нанесен определенный материал покрытия, такой как TiCNO. Рассматривалось превращение слоя покрытия в фазе κ-Al₂O₃, который отливается на поверхности режущего инструмента, в фазу α. Однако это трудно осуществимо, так как такое превращение требует сначала образовать на поверхности режущего инструмента слой покрытия из κ-Al₂O₃, расплавить режущий инструмент при температуре выше 2000°C и затем мгновенно охладить режущий инструмент. Также режущий инструмент, плавящийся при температуре выше 2000 градусов Цельсия, можно мгновенно охладить. Поэтому в качестве покрытия из оксида алюминия традиционно использовали слой κ-Al₂O₃.Of the various phases of alumina, the α-Al ₂ O ₃ phase has excellent heat resistance and wear resistance. Thus, it is preferable to form a coating layer of α-Al ₂ O ₃ on the surface of the cutting tool. However, it is more difficult to form the α-Al ₂ O ₃ layer on the surface of the cutting tool than the κ-Al ₂ O ₃ layer. In addition, a coating layer of α-Al ₂ O ₃ can be formed only after a certain coating material, such as TiCNO, is applied to the base of the cutting tool. The conversion of the coating layer in the κ-Al ₂ O ₃ phase, which is cast on the surface of the cutting tool, into α phase was considered. However, this is difficult to achieve, since such a conversion requires first to form a coating layer of κ-Al ₂ O ₃ on the surface of the cutting tool, melt the cutting tool at a temperature above 2000 ° C and then cool the cutting tool instantly. Also, cutting tools that melt at temperatures above 2000 degrees Celsius can be instantly cooled. Therefore, a κ-Al ₂ O ₃ layer has traditionally been used as an alumina coating.

Режущий инструмент с сильной шероховатостью поверхности обычно имеет высокое сопротивление резанию и легко прилипает к детали. Поэтому срок службы снижается. Такое керамическое покрытие как α-Al₂O₃, имеет плохую шероховатость поверхности по сравнению с другими материалами для покрытий для режущего инструмента. Таким образом, такое керамическое покрытие требует обработки поверхности, чтобы получить улучшенную шероховатость поверхности. Известны различные способы обработки поверхности для снижения шероховатости поверхности, такие как дробеструйная обработка, шлифовка, чистка щетками и т.д.Strong surface roughness cutting tools usually have high cutting resistance and easily adhere to the part. Therefore, the service life is reduced. A ceramic coating such as α-Al ₂ O ₃ has poor surface roughness compared to other coating materials for cutting tools. Thus, such a ceramic coating requires surface treatment in order to obtain improved surface roughness. Various surface treatment methods are known to reduce surface roughness, such as shot peening, sanding, brushing, etc.

Однако керамический материал для покрытия, такой как α-Al₂O₃, плохо подвергается поверхностной обработке вышеупомянутыми способами из-за его твердости. Так, требуется много времени и усилий для проведения таких операций поверхностной обработки. Кроме того, она снижает шероховатость поверхности лишь в ограниченной степени.However, a ceramic coating material, such as α-Al ₂ O ₃ , is poorly surface treated by the above methods due to its hardness. So, it takes a lot of time and effort to carry out such surface treatment operations. In addition, it reduces surface roughness only to a limited extent.

Настоящее изобретение решает вышеуказанные проблемы. Одной задачей настоящего изобретения является создание простого и надежного способа формирования α-Al₂O₃ слоя покрытия на поверхности режущего инструмента.The present invention solves the above problems. One object of the present invention is to provide a simple and reliable method for forming an α-Al ₂ O ₃ coating layer on a surface of a cutting tool.

Другой задачей настоящего изобретения является создание простого и надежного способа значительного снижения шероховатости поверхности слоя α-Al₂O₃ керамического покрытия, образованного на режущем инструменте.Another objective of the present invention is to provide a simple and reliable method for significantly reducing the surface roughness of the α-Al ₂ O ₃ layer of a ceramic coating formed on a cutting tool.

Кроме того, настоящее изобретение относится к режущему инструменту с улучшенным α-Al₂O₃ слоем покрытия на его поверхности.In addition, the present invention relates to a cutting tool with an improved α-Al ₂ O ₃ coating layer on its surface.

Чтобы достичь вышеназванные и другие задачи, способ обработки поверхности согласно настоящему изобретению включает этапы, на которых осуществляют:In order to achieve the above and other objectives, a surface treatment method according to the present invention includes the steps of:

нанесение одного или более слоев керамического покрытия на поверхность режущего инструмента иapplying one or more layers of ceramic coating to the surface of the cutting tool and

мгновенное расплавление по меньшей мере части крайнего слоя керамического покрытия посредством облучения электронным пучком керамического покрытия.instant melting of at least part of the outermost layer of the ceramic coating by irradiating the ceramic coating with an electron beam.

Крайний слой одного или более слоев керамического покрытия может быть слоем α-Al₂O₃ или TiN слоем, находящимся на слое κ-Al₂O₃. Часть κ-Al₂O₃ слоя покрытия мгновенно расплавляется в результате облучения электронным пучком и затем при застывании превращается в α-Al₂O₃. Кроме того, слой TiN испаряется при облучении электронным пучком. По меньшей мере часть слоя κ-Al₂O₃, который находится под слоем TiN, мгновенно расплавляется и превращается в α-Al₂O₃.The extreme layer of one or more ceramic coating layers may be an α-Al ₂ O ₃ layer or a TiN layer located on the κ-Al ₂ O ₃ layer. Part of the κ-Al ₂ O ₃ coating layer instantly melts as a result of irradiation with an electron beam and then, when solidified, turns into α-Al ₂ O ₃ . In addition, the TiN layer evaporates when irradiated with an electron beam. At least a portion of the κ-Al ₂ O ₃ layer, which is under the TiN layer, instantly melts and turns into α-Al ₂ O ₃ .

Далее, крайний слой одного или более слоев керамического покрытия может быть слоем α-Al₂O₃ или слоем TiN, находящимся на слое α-Al₂O_3. Слой α-Al₂O₃ керамического покрытия застывает, и его поверхность выравнивается поверхностным натяжением, возникающим, когда по меньшей мере часть слоя α-Al₂O₃ керамического покрытия расплавляется облучением электронным пучком. В результате шероховатость его поверхности можно с выгодой уменьшить. TiN-слой покрытия испаряется при облучении электронным пучком, и также расплавляется по меньшей мере часть слоя α-Al₂O₃, который находится под слоем TiN. В силу этого слой α-Al₂O₃ керамического покрытия застывает с выравниванием его поверхности поверхностным натяжением. Таким образом, можно ожидать отличного снижения шероховатости поверхности.Further, the outermost layer of one or more layers of the ceramic coating may be an α-Al ₂ O ₃ layer or a TiN layer located on the α-Al ₂ O ₃ layer _. The α-Al ₂ O ₃ layer of the ceramic coating solidifies and its surface is leveled by surface tension arising when at least a part of the α-Al ₂ O ₃ layer of the ceramic coating is melted by electron beam irradiation. As a result, the surface roughness can be advantageously reduced. The TiN coating layer evaporates upon irradiation with an electron beam, and at least part of the α-Al ₂ O ₃ layer that is under the TiN layer also melts. Due to this, the α-Al ₂ O ₃ layer of the ceramic coating solidifies with the surface leveling by surface tension. Thus, an excellent reduction in surface roughness can be expected.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:The invention is illustrated in the drawings, where:

фиг.1 - вид в перспективе обычной фрезы с режущей пластиной;figure 1 is a perspective view of a conventional mill with a cutting insert;

фиг.2 - схема способа обработки поверхности в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;2 is a diagram of a surface treatment method in accordance with one embodiment of the present invention;

фиг.3 - поперечный разрез, показывающий слои керамического слоя режущей пластины после обработки поверхности электронным пучком;figure 3 is a cross section showing the layers of the ceramic layer of the cutting insert after surface treatment with an electron beam;

фиг.4 - фотография в увеличении режущей пластины, покрытой слоем κ-Al₂O₃;4 is a photograph in magnification of a cutting insert coated with a layer of κ-Al ₂ O ₃ ;

фиг.5 - фотография в увеличении режущей пластины с фиг.3, сделанная после обработки поверхности электронным пучком.5 is a photograph in magnification of the cutting insert of figure 3, taken after surface treatment by an electron beam.

Далее с обращением к приложенным чертежам будет описан способ обработки поверхности согласно настоящему изобретению с применением облучения электронным пучком.Next, with reference to the attached drawings, a surface treatment method according to the present invention using electron beam irradiation will be described.

Были изучены методы, которыми можно эффективно обработать поверхность оксидалюминиевого покрытия режущего инструмента. Кроме того, они изучили методы, которыми можно преобразовать α-Al₂O₃ слой покрытия в слой α-Al₂O₃ простым и надежным способом, не повреждая основание режущего инструмента и другие слои покрытия на нем.Methods have been studied by which it is possible to effectively treat the surface of an aluminum oxide coating of a cutting tool. In addition, they studied methods that can convert the α-Al ₂ O ₃ layer coating layer α-Al ₂ O _3, a simple and reliable manner, without damaging the base of the cutting tool and the other coating layers thereon.

Предпринимались попытки повысить жесткость металлического режущего инструмента или поверхности металлических слоев покрытия путем облучения поверхности тепловой энергией, например лазером. Задачей этого было распределить некоторые элементы, составляющие такой металлический материал, по поверхности. Однако попытки термически регулировать шероховатость поверхности керамического покрытия, которое является очень термостойким, еще не предпринимались. Были исследованы возможности термического регулирования состояния поверхности керамического покрытия.Attempts have been made to increase the rigidity of a metal cutting tool or the surface of the metal coating layers by irradiating the surface with thermal energy, such as a laser. The objective of this was to distribute some of the elements making up such a metal material over the surface. However, attempts to thermally control the surface roughness of the ceramic coating, which is very heat-resistant, have not yet been made. The possibilities of thermal regulation of the state of the surface of the ceramic coating were investigated.

Например, была исследована возможность регулирования шероховатости поверхности керамического покрытия режущего инструмента, используя лазерный луч. Однако было обнаружено, что этот способ совершенно непригоден. То есть, когда луч лазера CO или YAG, который имеет высокую энергию и который трудно контролировать, облучает поверхность режущей пластины с покрытием, то и керамический слой покрытия, и основание находятся под действием лазерного луча, плавящего и деформирующего режущий инструмент. Кроме того, так как лазерный луч, имеющий маленькую зону облучения, излучает свою энергию на относительно широкую поверхность режущего инструмента, сканирование поверхности режущего инструмента занимает слишком много времени. Далее, такая обработка поверхности не может однородно обработать поверхность обрабатываемого объекта, оставляя, таким образом, изгибы на поверхности. Следовательно, такая поверхностная обработка не подходит для применения с режущей пластиной.For example, the possibility of controlling the surface roughness of a ceramic coating of a cutting tool using a laser beam was investigated. However, it was found that this method is completely unsuitable. That is, when a CO or YAG laser beam, which has high energy and is difficult to control, irradiates the surface of the coated cutting insert, both the ceramic coating layer and the base are exposed to the laser beam melting and deforming the cutting tool. In addition, since a laser beam having a small irradiation zone radiates its energy to a relatively wide surface of the cutting tool, scanning the surface of the cutting tool takes too much time. Further, such a surface treatment cannot uniformly process the surface of the object to be treated, thus leaving bends on the surface. Therefore, such surface treatment is not suitable for use with a cutting insert.

Напротив, в отличие от лазерного луча, электронный пучок способен облучать большие поверхности, так как зона облучения электронного пучка не ограничена малыми зонами облучения. Соответственно, электронный пучок может снизить время, необходимое для обработки поверхности, и может обеспечить однородную обработку по всей поверхности обрабатываемого объекта. Кроме того, электронный пучок можно регулировать так, чтобы преобразовывалась только часть крайнего слоя покрытия режущего инструмента без повреждения основания или любого другого слоя покрытия режущего инструмента.In contrast, unlike a laser beam, an electron beam is capable of irradiating large surfaces, since the irradiation zone of the electron beam is not limited to small irradiation zones. Accordingly, the electron beam can reduce the time required for surface treatment, and can provide uniform processing over the entire surface of the treated object. In addition, the electron beam can be adjusted so that only part of the outermost coating layer of the cutting tool is transformed without damaging the base or any other coating layer of the cutting tool.

На фиг.1 показана в перспективе фреза с режущей пластиной. На поверхности режущей пластины образовано керамическое покрытие. Керамическое покрытие нанесено на поверхность пластины на определенную толщину с применением известных способов, таких как CVD, PVD и т.п.Figure 1 shows in perspective a milling cutter with a cutting insert. A ceramic coating is formed on the surface of the insert. A ceramic coating is applied to the surface of the plate to a certain thickness using known methods such as CVD, PVD, and the like.

На фиг.2 представлен пример устройства для осуществления способа обработки поверхности согласно настоящему изобретению с помощью электронного пучка. При обработке поверхности электронным пучком используется устройство, генерирующее электронный пучок, которое содержит конденсатор для источника электронного пучка, управляющую часть, электронную пушку и т.д. При обработке поверхности электронным пучком покрытую керамикой режущую пластину сначала помещают внутрь устройства, генерирующего электронный пучок. Затем к внутренней части устройства, генерирующего электронный пучок, прикладывается вакуум, и туда вводится соответствующее количество газообразного аргона или газообразного азота, сохраняя внутри уровень вакуума 0,05 Па. После этого создается электронный пучок диаметром от 50 мм до 100 мм с диапазоном катодного напряжения 25-34 кВ. Электронный пучок, испускаемый из электронной пушки, ускоряется в форме термоэлектронов, которые разряжаются через короткое время (теоретически примерно от 1 до 5 стотысячных долей секунды) на керамическом покрытии режущего инструмента. В зависимости от состояния поверхностной реакции керамического покрытия, электронный пучок может испускаться повторно примерно 1-10 раз.Figure 2 presents an example of a device for implementing the surface treatment method according to the present invention using an electron beam. When treating a surface with an electron beam, an electron beam generating device is used, which contains a capacitor for the electron beam source, a control part, an electron gun, etc. When treating a surface with an electron beam, a ceramic-coated cutting insert is first placed inside an electron beam generating device. Then, a vacuum is applied to the inside of the device generating the electron beam, and the corresponding amount of gaseous argon or gaseous nitrogen is introduced into it, while maintaining a vacuum level of 0.05 Pa inside. After that, an electron beam is created with a diameter of 50 mm to 100 mm and a cathode voltage range of 25-34 kV. The electron beam emitted from the electron gun is accelerated in the form of thermoelectrons, which are discharged after a short time (theoretically from about 1 to 5 hundredths of a second) on the ceramic coating of the cutting tool. Depending on the state of the surface reaction of the ceramic coating, the electron beam can be re-emitted approximately 1-10 times.

Термоэлектрон, который столкнулся с поверхностью режущего инструмента, мгновенно создает большое тепло, так как кинетическая энергия ускоренного электрона превращается в тепловую энергию. Температура крайнего слоя керамического покрытия в этот момент может повыситься до примерно 4000°C. Крайний керамический слой покрытия мгновенно расплавляется от поверхности до по меньшей мере некоторой глубины (1-5 мкм). Если крайним слоем керамического покрытия является слой κ-Al₂O₃, то определенная часть глубины (микроны) слоя превращается в слой α-Al₂O₃ в результате мгновенного плавления и отверждения κ-Al₂O₃. Кроме того, если крайним слоем покрытия является слой TiN, осажденный на κ-Al₂O₃, то слой TiN испаряется в результате облучения электронным пучком. Также часть прилегающего слоя κ-Al₂O₃ превращается в α-Al₂O₃ при мгновенном плавлении и застывании. Предпочтительно, один или более слоев керамического покрытия могут быть составными слоями карбонитрида титана, образованными на основании режущего инструмента, и слоем κ-Al₂O₃, образованным на составных слоях карбонитрида титана. Альтернативно, они могут быть составными слоями карбонитрида титана, образованными на основании режущего инструмента, и слоем κ-Al₂O₃/TiN, образованным на составных слоях карбонитрида титана. Кроме того, предпочтительно, чтобы один или более слоев керамического покрытия имел порядок укладки, смотря от основания режущего инструмента, TiN/MTCN/TiCN/κ-Al₂O₃ или TiN/MTCN/TiCN/κ-Al₂O₃/TiN. Слой κ-Al₂O₃ покрытия имеет толщину примерно от 2 мкм до 12 мкм, и по меньшей мере от 1 мкм до 4 мкм толщины κ-Al₂O₃ превращается в слой α-Al₂O₃ покрытия в результате облучения электронным пучком. Далее, если крайним слоем керамического покрытия является слой α-Al₂O₃, то шероховатость поверхности будет снижена, так как его поверхность отверждается и затем выравнивается поверхностным натяжением, возникающим при плавлении некоторой части толщины (микроны) слоя α-Al₂O₃ керамического покрытия. Альтернативно, если крайним слоем покрытия является слой TiN, осажденный на α-Al₂O₃, то шероховатость поверхности уменьшается, поскольку крайний TiN-слой покрытия испаряется излучением электронного пучка, и по меньшей мере часть слоя α-Al₂O₃ покрытия под ним застывает и выравнивается поверхностным натяжением, возникающим, когда некоторая часть толщины (микроны) слоя α-Al₂O₃ керамического покрытия мгновенно расплавляется после испарения крайнего TiN-слоя покрытия. Предпочтительно, один или более слоев керамического покрытия могут быть составными слоями карбонитрида титана, образованными на основании режущего инструмента, и слоем TiCNO/α-Al₂O₃, образованным на составных слоях карбонитрида титана. Альтернативно, они могут быть составными слоями карбонитрида титана, образованными на основании режущего инструмента, и слоем TiCNO/α-Al₂O₃/TiN, образованным на составных слоях карбонитрида титана. Кроме того, один или более слоев керамического покрытия могут быть составными слоями карбонитрида титана, образованными на основании режущего инструмента, и слоем TiCO/α-Al₂O₃, образованным на составных слоях карбонитрида титана. Альтернативно, они могут быть составными слоями карбонитрида титана, образованными на основании режущего инструмента, и слоем TiCO/α-Al₂O₃/TiN, образованным на составных слоях карбонитрида титана. Кроме того, предпочтительно, чтобы один или более слоев керамического покрытия имел порядок укладки одного или более слоев керамического покрытия TiN/MTCN/TiCN/TiCNO/α-Al₂O₃ или TiN/MTCN/TiCN/TiCNO/α-Al₂O₃/TiN, смотря от основания режущего инструмента. Также предпочтительно, чтобы один или более слоев керамического покрытия имел порядок укладки одного или более слоев керамического покрытия ΗN/MTCN/TiCN/TiCO/α-Al₂O₃ или TiN/MTCN/TiCN/TiCO/α-Al₂O₃/TiN, смотря от основания режущего инструмента.A thermoelectron, which collides with the surface of a cutting tool, instantly creates a lot of heat, since the kinetic energy of an accelerated electron is converted into thermal energy. The temperature of the end layer of the ceramic coating at this point can rise to about 4000 ° C. The extreme ceramic coating layer instantly melts from the surface to at least some depth (1-5 microns). If the κ-Al ₂ O ₃ layer is the extreme layer of the ceramic coating, then a certain part of the depth (microns) of the layer is transformed into the α-Al ₂ O ₃ layer as a result of instant melting and curing of κ-Al ₂ O ₃ . In addition, if the outermost coating layer is a TiN layer deposited on κ-Al ₂ O ₃ , then the TiN layer evaporates as a result of electron beam irradiation. Also, part of the adjacent κ-Al ₂ O ₃ layer turns into α-Al ₂ O ₃ upon instant melting and solidification. Preferably, one or more layers of the ceramic coating may be composite layers of titanium carbonitride formed on the base of the cutting tool, and a κ-Al ₂ O ₃ layer formed on composite layers of titanium carbonitride. Alternatively, they can be composite layers of titanium carbonitride formed on the base of the cutting tool, and a κ-Al ₂ O ₃ / TiN layer formed on composite layers of titanium carbonitride. In addition, it is preferable that one or more layers of the ceramic coating have a stacking order, depending on the base of the cutting tool, TiN / MTCN / TiCN / κ-Al ₂ O ₃ or TiN / MTCN / TiCN / κ-Al ₂ O ₃ / TiN. The κ-Al ₂ O ₃ coating layer has a thickness of from about 2 μm to 12 μm, and at least 1 μm to 4 μm of the κ-Al ₂ O ₃ thickness turns into an α-Al ₂ O ₃ coating layer as a result of electron beam irradiation . Further, if the extreme layer of the ceramic coating is an α-Al ₂ O ₃ layer, then the surface roughness will be reduced, since its surface is cured and then leveled by the surface tension arising from the melting of some part of the thickness (microns) of the α-Al ₂ O ₃ ceramic layer coverings. Alternatively, if the outermost coating layer is a TiN layer deposited on α-Al ₂ O ₃ , the surface roughness is reduced since the extreme TiN coating layer is vaporized by electron beam radiation, and at least a portion of the α-Al ₂ O ₃ coating layer below it hardens and evens out with surface tension, which occurs when some part of the thickness (microns) of the α-Al ₂ O ₃ layer of the ceramic coating instantly melts after evaporation of the extreme TiN coating layer. Preferably, one or more of the ceramic coating layers may be composite layers of titanium carbonitride formed on the base of the cutting tool, and a TiCNO / α-Al ₂ O ₃ layer formed on composite layers of titanium carbonitride. Alternatively, they can be composite layers of titanium carbonitride formed on the base of the cutting tool, and a TiCNO / α-Al ₂ O ₃ / TiN layer formed on composite layers of titanium carbonitride. In addition, one or more layers of ceramic coating can be composite layers of titanium carbonitride formed on the basis of the cutting tool, and a layer of TiCO / α-Al ₂ O ₃ formed on composite layers of titanium carbonitride. Alternatively, they can be composite layers of titanium carbonitride formed on the base of the cutting tool, and a layer of TiCO / α-Al ₂ O ₃ / TiN formed on composite layers of titanium carbonitride. In addition, it is preferable that one or more layers of the ceramic coating have the stacking order of one or more layers of the ceramic coating TiN / MTCN / TiCN / TiCNO / α-Al ₂ O ₃ or TiN / MTCN / TiCN / TiCNO / α-Al ₂ O ₃ / TiN, looking from the base of the cutting tool. It is also preferable that one or more layers of the ceramic coating have the stacking order of one or more layers of the ceramic coating ΗN / MTCN / TiCN / TiCO / α-Al ₂ O ₃ or TiN / MTCN / TiCN / TiCO / α-Al ₂ O ₃ / TiN looking from the bottom of the cutting tool.

На фиг.3 показан поперечный разрез, показывающий слои керамического покрытия режущей пластины. В соответствии с настоящим изобретением электронный пучок облучает слои керамического покрытия (1-4), и часть крайнего κ-Al₂O₃ слоя (2) превращается в слой α-Al₂O₃ (1). Альтернативно, если крайним слоем покрытия является TiN, то слой TiN будет испаряться теплом, и по меньшей мере наружная часть слоя κ-Al₂O₃ покрытия превратится в слой α-Al₂O₃ 1. Так как электронный пучок излучает очень короткое время и реагирует только до некоторой глубины (микроны) поверхности покрытия, другие слои (3 и 4) покрытия под слоем α-Al₂O₃ или тело режущего инструмента (5) не испытывают действия электронного пучка.3 is a cross-sectional view showing ceramic coating layers of a cutting insert. In accordance with the present invention, the electron beam irradiates the ceramic coating layers (1-4), and a part of the outer κ-Al ₂ O ₃ layer (2) turns into the α-Al ₂ O ₃ layer (1). Alternatively, if TiN is the outermost coating layer, then the TiN layer will be evaporated by heat, and at least the outer part of the κ-Al ₂ O ₃ coating layer will turn into an α-Al ₂ O ₃ 1 layer. Since the electron beam emits a very short time and reacts only to a certain depth (microns) of the coating surface, other layers (3 and 4) of the coating under the layer of α-Al ₂ O ₃ or the body of the cutting tool (5) do not experience the action of an electron beam.

Кроме того, шероховатость поверхности покрытия режущего инструмента преимущественно уменьшается до ниже Ra 0,15 мкм, после того как слой керамического покрытия снова отвердел с выравниванием поверхности поверхностным натяжением. На фиг.4 и 5 показаны фотографии режущей пластины с фиг.3 в увеличении 500, полученные на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ), сделанные до и после обработки поверхности электронным пучком. Фиг.4 является фотографией, показывающей часть поверхности (6) верхнего наклона, часть (7) режущей кромки и боковую поверхность (8) режущей пластины, покрытой κ-Al₂O₃, до испускания электронного пучка. На фиг.5 показано, что слой κ-Al₂O₃, выполненный на поверхности (6) верхнего наклона и части (7) режущей кромки, превратился в α-Al₂O₃ слои (6' и 7') после облучения электронным пучком. Согласно фиг.4 и 5 подтверждается, что шероховатость поверхности участков (6' и 7'), которые превратились в α-Al₂O₃, с выгодой уменьшилась по сравнению с участками (6 и 7), которые не были преобразованы.In addition, the surface roughness of the cutting tool coating mainly decreases to below Ra 0.15 μm, after the ceramic coating layer has hardened again with the surface leveling by surface tension. Figures 4 and 5 show photographs of the cutting insert of figure 3 at a magnification of 500, obtained by scanning electron microscope (SEM), taken before and after surface treatment with an electron beam. 4 is a photograph showing a portion of the surface (6) of the upper inclination, a portion (7) of the cutting edge and a side surface (8) of the cutting plate coated with κ-Al ₂ O ₃ before the emission of the electron beam. Figure 5 shows that the κ-Al ₂ O ₃ layer made on the upper inclination surface (6) and the cutting edge part (7) turned into α-Al ₂ O ₃ layers (6 'and 7') after electron irradiation beam. According to FIGS. 4 and 5, it is confirmed that the surface roughness of the regions (6 ′ and 7 ′) that have turned into α-Al ₂ O ₃ has advantageously decreased compared to the regions (6 and 7) that have not been converted.

Далее описаны тестовые примеры режущего инструмента, которые подверглись поверхностной обработке электронным пучком в соответствии с настоящим изобретением.The following describes test examples of a cutting tool that has undergone an electron beam surface treatment in accordance with the present invention.

Испытание 1Test 1

Были проведены испытания, описанные ниже, на режущие характеристики режущего инструмента, который в соответствии с настоящим изобретением был обработан электронным пучком.Tests were carried out, described below, on the cutting characteristics of a cutting tool, which in accordance with the present invention was processed by an electron beam.

Измеряли срок службы каждого режущего инструмента, причем срок службы определен как время, прошедшее до того, как степень износа режущей кромки режущего инструмента достигло 0,25 мм. Если при резке произойдет разлом или скалывание режущей пластины, то срок службы определяется как время до разлома или скалывания.The service life of each cutting tool was measured, the service life being defined as the time elapsed before the wear rate of the cutting edge of the cutting tool reached 0.25 mm. If during cutting there will be a break or chipping of the insert, then the service life is defined as the time before breaking or chipping.

В испытании на режущие характеристики использовались режущие пластины A и B, причем режущая пластина A является режущей пластиной для токарной обработки CNMG120412 согласно стандарту ISO, с покрытием TiN/MTCN/TiCN/κ-Al₂O₃, нанесенным методом CVD, а режущая пластина B является такой же режущей пластиной для токарной обработки согласно стандарту ISO, что и режущая пластина A, но с покрытием TiN/MTCN/TiCN/κ-Al₂O₃/TiN, нанесенным CVD. Испытания проводились на режущих пластинах A и B с обработкой их поверхности электронным пучком и без обработки поверхности электронным пучком, соответственно.In the cutting test, inserts A and B were used, with insert A being a CNMG120412 turning insert according to the ISO standard, coated with TiN / MTCN / TiCN / κ-Al ₂ O ₃ coated by CVD and insert B is the same turning insert for ISO turning as cutting insert A, but with a TiN / MTCN / TiCN / κ-Al ₂ O ₃ / TiN coating coated with CVD. The tests were carried out on inserts A and B with surface treatment by an electron beam and without surface treatment by an electron beam, respectively.

Поверхность режущей пластины для токарной обработки, обработанная электронным пучком, показывает преобразование, в котором примерно 1,5 мкм слоя κ-Al₂O₃ покрытия было преобразовано в α-фазу. Кроме того, когда крайним слоем покрытия был TiN, слой TiN испарялся, и примерно 1,5 мкм слоя κ-Al₂O₃ под ним превращалось в α-фазу.The surface of the cutting insert for electron beam turning shows a transformation in which approximately 1.5 μm of the κ-Al ₂ O ₃ coating layer was converted to the α phase. In addition, when TiN was the outermost coating layer, the TiN layer evaporated, and about 1.5 μm of the κ-Al ₂ O ₃ layer beneath it turned into the α phase.

Условия резки были следующими: скорость резки (v)=400 об/мин, скорость подачи (f)=0,25 мм/об и глубина резки (d)=2,0 мм. Кроме того, каждую режущую пластину испытывали на резку серого чугуна размером 90×90×200 мм. Результаты испытаний показаны ниже в таблице 1.The cutting conditions were as follows: cutting speed (v) = 400 rpm, feed rate (f) = 0.25 mm / rev and cutting depth (d) = 2.0 mm. In addition, each cutting insert was tested for cutting gray cast iron with a size of 90 × 90 × 200 mm. The test results are shown below in table 1.

Таблица 1Table 1 Режущая пластина с CVD-покрытиемCVD coated insert Покрытие до обработки поверхности электронным пучкомCoating before surface treatment by electron beam Обработка поверхности электронным пучкомElectron beam surface treatment Сухая/
мокраяDry /
wet Результаты резкиCutting results Срок службы (мин)Service life (min) ПримечаниеNote Режущая пластина АCutting insert A TiN/MTCN/TiCN/κ-Al₂O₃ TiN / MTCN / TiCN / κ-Al ₂ O ₃ даYes сухаяdry 18eighteen -- нетno 1212 разломfault Режущая пластина ВCutting insert B TiN/MTCN/TiCN/κ-Al₂O₃/TiNTiN / MTCN / TiCN / κ-Al ₂ O ₃ / TiN даYes мокраяwet 6262 -- нетno 4848 скалываниеchipping Пластина: CNMG120412; рабочий материал: серый чугун (HB 190)
условия резки: v=400 об/мин, f=0,25 мм/об, d=2,0 ммPlate: CNMG120412; working material: gray cast iron (HB 190)
cutting conditions: v = 400 rpm, f = 0.25 mm / r, d = 2.0 mm

Как можно видеть из таблицы 1, срок службы режущих пластин A и B, поверхности которых не были обработаны электронным пучком, заканчивался поломкой или скалыванием, прежде чем степень износа режущей кромки достигнет 0,25 мм. С другой стороны, режущие пластины A и B, поверхности которых были обработаны электронным пучком, не обнаруживали ни разлома, ни скалывания до того, как степень их износа достигала 0,25 мм, и они были пригодны для работы даже после того, как начиналось образование разлома или скалывания.As can be seen from table 1, the service life of the cutting inserts A and B, the surfaces of which were not processed by an electron beam, ended with breakage or chipping, before the degree of wear of the cutting edge reaches 0.25 mm. On the other hand, the cutting inserts A and B, the surfaces of which were treated with an electron beam, did not show any fracture or chipping before the degree of wear reached 0.25 mm, and they were suitable for work even after the formation began breaking or chipping.

Испытание 2Test 2

Для испытания использовались режущие пластины A и B, причем режущая пластина A является режущей пластиной CNMG120412 для токарной обработки согласно стандарту ISO, с нанесенным методом CVD покрытием TiN/MTCN/TiCN/κ-Al₂O₃, а режущая пластина B является такой же режущей пластиной для токарной обработки, как режущая пластина A согласно стандарту ISO, с нанесенным методом CVD покрытием TiN/MTCN/TiCN/κ-Al₂O₃/TiN. Деталью в испытании была углеродистая сталь, а остальные условия испытания были такими же, как в испытании 1. Результаты испытания показаны ниже в таблице 2.For testing, cutting inserts A and B were used, with cutting insert A being a CNMG120412 cutting insert for ISO turning, CVD coated with TiN / MTCN / TiCN / κ-Al ₂ O ₃ , and cutting insert B is the same cutting a turning insert, like cutting insert A according to ISO, CVD coated with TiN / MTCN / TiCN / κ-Al ₂ O ₃ / TiN. The part in the test was carbon steel, and the rest of the test conditions were the same as in test 1. The test results are shown below in table 2.

Таблица 2table 2 Режущая пластина с CVD-покры-тиемCVD coated insert Покрытие до обработки поверхности электронным пучкомCoating before surface treatment by electron beam Обработка поверхности электронным пучкомElectron beam surface treatment Сухая/
мокраяDry /
wet Результаты резкиCutting results Срок службы (мин)Service life (min) ПримечаниеNote Режущая пластина АCutting insert A TiN/MTCN/TiCN/κ-Al₂O₃ TiN / MTCN / TiCN / κ-Al ₂ O ₃ даYes сухаяdry 2222 -- нетno 18eighteen -- Режущая пластина ВCutting insert B TiN/MTCN/TiCN/κ-Al₂O₃/TiNTiN / MTCN / TiCN / κ-Al ₂ O ₃ / TiN даYes мокраяwet 3737 -- нетno 3232 СкалываниеShear Пластина: CNMG120412; рабочий материал: углеродистая сталь (HB 215)
условия резки: v=400 об/мин, f=0,25 мм/об, d=2,0 ммPlate: CNMG120412; working material: carbon steel (HB 215)
cutting conditions: v = 400 rpm, f = 0.25 mm / r, d = 2.0 mm

Как можно видеть из таблицы 2, срок службы режущих пластин A и B, поверхности которых не были обработаны электронным пучком, ниже, чем у режущей пластины A и режущей пластины B, поверхность которых обрабатывалась электронным пучком.As can be seen from table 2, the service life of the cutting inserts A and B, the surfaces of which were not processed by the electron beam, is lower than that of the cutting plate A and the cutting plate B, the surface of which was processed by the electron beam.

Как можно видеть из таблиц 1 и 2, режущий инструмент, поверхность которого обработана электронным пучком в соответствии с настоящим изобретением, в тех же условиях резки имеет лучший срок службы по сравнению с режущим инструментом, поверхность которого не обрабатывалась электронным пучком. Это является результатом того, что покрытие имеет поверхность, являющуюся микроскопически плоской, благодаря обработке поверхности электронным пучком. Такая обработка снижает сопротивление резанию между деталями, а также прилипание детали к режущему инструменту.As can be seen from tables 1 and 2, the cutting tool, the surface of which is processed by an electron beam in accordance with the present invention, under the same cutting conditions, has a better service life compared to a cutting tool whose surface is not processed by an electron beam. This is the result of the coating having a surface that is microscopically flat due to the surface treatment by an electron beam. This treatment reduces the cutting resistance between the parts, as well as the adhesion of the part to the cutting tool.

Хотя настоящее изобретение было показано и описано особо со ссылками на примерные варианты его осуществления, специалисты среднего уровня в данной области должны понимать, что могут быть сделаны различные изменения и модификации, не выходя за объем настоящего изобретения.Although the present invention has been shown and described specifically with reference to exemplary embodiments, mid-level specialists in this field should understand that various changes and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

Согласно способу обработки поверхности электронным пучком по настоящему изобретению, когда крайним слоем керамического покрытия является слой κ-Al₂O₃, поверхность слоя κ-Al₂O₃ под действием электронного пучка расплавится на некоторую толщину (микроны), испаряется, отверждается и затем превращается в α-Al₂O₃. Кроме того, если порядок укладки крайнего слоя керамического покрытия есть последовательно TiN и α-Al₂O₃, то слой TiN будет испаряться электронным пучком, и по меньшей мере часть крайней поверхности слоя κ-Al₂O₃ превратится в α-Al₂O₃. В таком случае другие слои покрытия ниже κ-Al₂O₃ слоя, и тело режущего инструмента не испытывают воздействия электронного пучка. Таким образом, на поверхности режущего инструмента можно легким и надежным способом сформировать слой α-Al₂O₃ покрытия.According to the method of electron beam surface treatment of the present invention, when the extreme layer of the ceramic coating is a layer of κ-Al ₂ O _3, the surface layer of κ-Al ₂ O ₃ by an electron beam melt in a certain thickness (microns), evaporates, is cured and then converted in α-Al ₂ O ₃ . In addition, if the laying order of the extreme layer of ceramic coating is sequentially TiN and α-Al ₂ O ₃ , then the TiN layer will be vaporized by an electron beam, and at least part of the extreme surface of the κ-Al ₂ O ₃ layer will turn into α-Al ₂ O ₃ . In this case, other coating layers are lower than the κ-Al ₂ O ₃ layer, and the body of the cutting tool is not affected by the electron beam. Thus, an α-Al ₂ O ₃ coating layer can be formed on the surface of the cutting tool in an easy and reliable way.

Кроме того, в соответствии со способом по настоящему изобретению обработки поверхности электронным пучком, когда крайним слоем керамического покрытия является слой α-Al₂O₃, по меньшей мере часть его расплавится. Затем расплавленная поверхность затвердеет с выравниванием поверхности поверхностным натяжением, возникающим в условиях плавления. Таким образом, шероховатость поверхности кроющего слоя можно с выгодой снизить. Далее, если порядок укладки крайнего слоя керамического кроющего слоя есть TiN и α-Al₂O₃ последовательно, то слой TiN будет испаряться электронным пучком, и по меньшей мере часть крайней поверхности слоя α-Al₂O₃ расплавится, причем его расплавленная поверхность затвердеет с выравниванием поверхности поверхностным натяжением, возникающим в условиях плавления. Таким образом, шероховатость поверхности покрытия можно с выгодой уменьшить. Таким образом, слой α-Al₂O₃ покрытия образуется на поверхности режущего инструмента простым и надежным способом. Кроме того, сниженная шероховатость поверхности уменьшает сопротивление резанию и прилипание к детали, что гарантирует режущему инструменту значительно улучшенный срок службы инструмента.In addition, in accordance with the method of the present invention, the surface treatment of the electron beam, when the last layer of ceramic coating is a layer of α-Al ₂ O ₃ at least part of it will melt. Then the molten surface hardens with the surface leveling by surface tension arising under melting conditions. Thus, the surface roughness of the coating layer can be advantageously reduced. Further, if the laying order of the outermost layer of the ceramic coating layer is TiN and α-Al ₂ O _{3 in} series, then the TiN layer will be vaporized by an electron beam and at least part of the extreme surface of the α-Al ₂ O ₃ layer will melt, and its molten surface will harden with surface leveling by surface tension arising under melting conditions. Thus, the surface roughness of the coating can be advantageously reduced. Thus, an α-Al ₂ O ₃ coating layer is formed on the surface of the cutting tool in a simple and reliable manner. In addition, reduced surface roughness reduces cutting resistance and adhesion to the part, which guarantees the cutting tool a significantly improved tool life.

Claims

1. A method of surface treatment of a cutting tool, in which a ceramic coating is obtained with an extreme layer of κ-Al ₂ O ₃ or TiN located on the κ-Al ₂ O ₃ layer, or α-Al ₂ O ₃ , or TiN located on α- Al ₂ O ₃ layer, and irradiate the electron beam of a ceramic coating to instantly melt at least part of the extreme layer.

2. The method according to claim 1, in which when receiving a ceramic coating with an extreme layer of κ-Al ₂ O ₃ at least part of the layer of κ-Al ₂ O _{3 is} converted to α-Al ₂ O ₃ .

3. The method according to claim 1, in which when obtaining a ceramic coating with an extreme layer of TiN deposited on the κ-Al ₂ O ₃ layer, at least a portion of the TiN layer is vaporized by electron beam irradiation, and the κ-Al ₂ O layer ₃ under its action turns into α-Al ₂ O ₃ .

4. The method according to claim 1, in which a ceramic coating is obtained consisting of a plurality of layers of titanium carbonitride formed on the basis of a cutting tool and an κ-Al ₂ O ₃ end layer formed on titanium carbonitride layers, or consisting of a plurality of layers formed on the basis of a cutting tool layers of titanium carbonitride and extreme layers of κ-Al ₂ O ₃ / TiN formed on the layers of titanium carbonitride.

5. The method according to claim 1, wherein a ceramic coating is obtained consisting of a plurality of layers of titanium carbonitride formed on the basis of a cutting tool and TiCNO / α-Al ₂ O ₃ layers formed on titanium carbonitride layers, or consisting of a cutting base tool of many layers of titanium carbonitride and layers of TiCNO / α-Al ₂ O ₃ / TiN formed on the layers of titanium carbonitride.

6. The method according to claim 1, in which a ceramic coating is obtained consisting of a plurality of layers of titanium carbonitride formed on the basis of a cutting tool and TiCO / α-Al ₂ O ₃ layers formed on titanium carbonitride layers or consisting of a cutting base an instrument of a plurality of layers of titanium carbonitride, and TiCO / α-Al ₂ O ₃ / TiN layers formed on the layers of titanium carbonitride.

7. The method according to claim 1, in which the κ-Al ₂ O ₃ coating layer has a thickness of 2 to 15 μm.

8. The method according to claim 7, in which at least 1 to 4 μm of the thickness of the κ-Al ₂ O ₃ coating layer is converted into an α-Al ₂ O ₃ layer as a result of electron beam irradiation.

9. The method according to claim 1, wherein the order of laying the ceramic coating layer is, starting from the base of the cutting tool, TiN / MTCN / TiCN / κ-Al ₂ O ₃ or TiN / MTCN / TiCN / κ-Al ₂ O ₃ / TiN.

10. The method according to claim 1, in which the laying order of the ceramic coating layer is, starting from the base of the cutting tool, TiN / MTCN / TiCN / TiCNO / α-Al ₂ O ₃ or TiN / MTCN / TiCN / TiCNO / α-Al ₂ O ₃ / TiN.

11. The method according to claim 1, in which the order of laying the ceramic coating layer is TiN / MTCN / TiCN / TiCO / α-Al ₂ O ₃ or TiN / MTCN / TiCN / TiCO / α-Al ₂ O ₃ / TiN, starting from the base of the cutting tool.

12. The method according to any one of claims 1 to 11, in which an electron beam with a diameter of 50 to 100 mm is emitted with a power of 25 to 45 kV.

13. The method according to any one of claims 1 to 8, in which the electron beam is emitted 1-10 times, depending on the reaction state of the surface of the ceramic coating.

14. The method according to any one of claims 1 to 8, in which the electron beam is emitted by an electron beam generator in vacuum with the introduction of gaseous argon or nitrogen.

15. Cutting tool with a multilayer ceramic coating, which contains a layer of κ-Al ₂ O ₃ and the outermost layer of α-Al ₂ O ₃ , while the layer of α-Al ₂ O ₃ obtained by converting part of the κ-Al ₂ O ₃ layer into electron beam irradiation time.

16. The tool of claim 15, wherein the κ-Al ₂ O ₃ coating layer has a thickness of 2 to 12 μm, and the α-Al ₂ O ₃ layer has a thickness of 1 to 4 μm.