RU2424088C2

RU2424088C2 - Cutting tool

Info

Publication number: RU2424088C2
Application number: RU2009128655/02A
Authority: RU
Inventors: Квон Хее ПАРК (KR); Квон Хее ПАРК; Сунг Су ЧУН (KR); Сунг Су ЧУН; Санг Воонг НА (KR); Санг Воонг НА
Original assignee: Таегутек Лтд.
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2011-07-20
Also published as: RU2009128655A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to cutting tool made from aluminium oxide-based ceramics, particularly, to ceramic cutting tool. Cutting tool comprises aluminium oxide-based substrate and one or several cover Al-Ti-Cr-based nitride layers on substrate. Note here that one or several cover Al-Ti-Cr-based nitride layers on substrate are Al_wTi_xCr_γSi_zC_vN_1-v, with W+X+Y+Z=1 and V= 0 to less than 1. Aluminium oxide-based substrate comprises aluminium oxide, 5 to 80 vol. % of metal carbonitride and from 0.01 to 10 vol. % of one or several metal oxides. Note also that metal forming said metal carbonitride and metal oxide are selected from group consisting of elements of III to VI groups including La and Ac groups of periodic table, Mg and Co.

EFFECT: wear resistant coat with higher mechanical properties in high-speed cutting.

6 cl, 21 dwg, 4 tbl, 2 ex

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к режущему инструменту из керамики на основе оксида алюминия и более конкретно к керамическому режущему инструменту на основе оксида алюминия со слоями покрытия, сформированными на его поверхности.The present invention relates to an aluminum oxide ceramic cutting tool, and more particularly, to an aluminum oxide ceramic cutting tool with coating layers formed on its surface.

Уровень техникиState of the art

Оксид алюминия широко используется как материал для подложек для режущих инструментов из-за своих превосходных механических свойств и термостойкости. Слой покрытия из TiN формируется на поверхности режущего инструмента из оксида алюминия для повышения его поверхностной жесткости, снижения сопротивления резания и предотвращения адгезии детали к режущему инструменту. Однако слой покрытия из TiN имеет низкую твердость и таким образом может легко изнашиваться из-за трения, возникающего во время операции резания. Когда режут такой твердый материал, как чугун, слой покрытия из TiN склонен изнашиваться еще более легко. К тому же слой покрытий из TiN легко окисляется при температуре выше 1000°С под воздействием атмосферы. Таким образом, когда режущий инструмент выполняет высокоскоростное резание, слой покрытия из TiN, который подвергается воздействию высокой температуры, склонен к легкому окислению и отслаиванию от подложки.Alumina is widely used as a substrate material for cutting tools due to its excellent mechanical properties and heat resistance. A TiN coating layer is formed on the surface of an aluminum oxide cutting tool to increase its surface stiffness, reduce cutting resistance and prevent part adhesion to the cutting tool. However, the TiN coating layer has a low hardness and thus can easily wear out due to friction arising during the cutting operation. When a solid material such as cast iron is cut, the TiN coating layer tends to wear even more easily. In addition, the TiN coating layer is easily oxidized at temperatures above 1000 ° C under the influence of the atmosphere. Thus, when the cutting tool performs high-speed cutting, the TiN coating layer, which is exposed to high temperature, is prone to easy oxidation and peeling from the substrate.

Удаление слоя покрытия из TiN вызывает быстрый износ режущих краев. К тому же оно вызывает повышение сопротивления резанию, тем самым ускоряя стирание режущего инструмента. Это сокращает срок службы режущего инструмента.Removing the TiN coating layer causes rapid wear on the cutting edges. In addition, it causes an increase in cutting resistance, thereby accelerating the erasure of the cutting tool. This shortens the life of the cutting tool.

Раскрытие технической проблемыDisclosure of a technical problem

Целью настоящего изобретения является обеспечение режущего инструмента из керамики на основе оксида алюминия, снабженного покрытием и имеющим повышенную износостойкость.The aim of the present invention is to provide a cutting tool made of ceramic based on alumina, coated and having increased wear resistance.

Другой целью настоящего изобретения является обеспечение режущего инструмента из керамики на основе оксида алюминия, снабженного покрытием и имеющим улучшенные механические характеристики при высокоскоростном резании.Another objective of the present invention is the provision of a cutting tool made of ceramic based on aluminum oxide, coated and having improved mechanical characteristics during high-speed cutting.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение режущего инструмента из керамики на основе оксида алюминия, снабженного покрытием и имеющим повышенный срок службы.Another objective of the present invention is the provision of a cutting tool made of ceramic based on alumina, coated and having an increased service life.

Техническое решениеTechnical solution

Чтобы достигнуть вышеупомянутых целей и других целей, режущий инструмент в соответствии с настоящим изобретением включает в себя подложку в основном из оксида алюминия. Предпочтительно подложка включает в себя от 0,1 до 25 об.% одного или более оксидов металлов, или от 5 до 80 об.% карбонитрида металла и от 0,01 до 10 об.% одного или более оксидов металлов. Металл, образующий указанный оксид металла и указанный карбонитрид металла, выбирается из группы, состоящей из элементов групп от III до VI (включая группу La и группу Ac) в Периодической таблице элементов, Mg и Co. Указанные оксиды металлов, добавляемые к оксиду алюминия, находятся на границах раздела между зернами оксида алюминия, тем самым препятствуя чрезмерному росту зерен оксида алюминия во время процесса спекания. В результате может быть получена мелкозернистая и однородная подложка на основе оксида алюминия.In order to achieve the above objectives and other objectives, the cutting tool in accordance with the present invention includes a substrate mainly of aluminum oxide. Preferably, the substrate includes from 0.1 to 25 vol.% One or more metal oxides, or from 5 to 80 vol.% Metal carbonitride and from 0.01 to 10 vol.% One or more metal oxides. The metal forming said metal oxide and said metal carbonitride is selected from the group consisting of elements of groups III to VI (including La group and Ac group) in the Periodic Table of the Elements, Mg and Co. These metal oxides added to alumina are located at the interfaces between the grains of alumina, thereby preventing the excessive growth of alumina grains during the sintering process. As a result, a fine-grained and uniform substrate based on alumina can be obtained.

Кроме того, когда к оксиду алюминия добавляется от 5 до 80 об.% карбонитрида металла, могут быть получены мелкие зерна оксида алюминия и равномерная микроструктура с тем же принципом. Более того, карбонитрид металла обеспечивает гораздо большую твердость, чем оксиды металлов, тем самым расширяя области применения режущего инструмента из керамики на основе оксида алюминия, включая высокоскоростное резание сталей с высокой твердостью.In addition, when 5 to 80 vol% metal carbonitride is added to alumina, fine alumina grains and a uniform microstructure can be obtained with the same principle. Moreover, metal carbonitride provides much greater hardness than metal oxides, thereby expanding the application of ceramic cutting tools based on alumina, including high-speed cutting of steels with high hardness.

Также на подложке режущего инструмента формируется один или более нитридных покрывающих слоев на основе Al-Ti-Cr. Один или более покрывающих нитридных слоев на основе Al-Ti-Cr сформированы на подложке режущего инструмента до толщины от 0,3 до 5,0 мкм, предпочтительно от 0,5 до 2,0 мкм. Состав указанного покрывающего нитридного слоя на основе Al-Ti-Cr может быть Al_WTi_XCr_YSi_ZC_VN_1-V(W+X+Y+Z=1, V=0~1).Also, one or more Al-Ti-Cr based nitride coating layers are formed on the substrate of the cutting tool. One or more Al-Ti-Cr based nitride coating layers are formed on the substrate of the cutting tool to a thickness of 0.3 to 5.0 μm, preferably 0.5 to 2.0 μm. The composition of said Al-Ti-Cr based nitride coating layer may be Al _W Ti _X Cr _Y Si _Z C _V N _1-V (W + X + Y + Z = 1, V = 0 ~ 1).

Более того, слой покрытия может быть сформирован способом физического осаждения из паровой фазы.Moreover, the coating layer can be formed by physical vapor deposition.

Описание чертежейDescription of drawings

Фиг.1 является фотографией, показывающей различные типы режущих вставок, в которых может быть применено настоящее изобретение.1 is a photograph showing various types of cutting inserts in which the present invention can be applied.

Фиг.2 является фотографией, показывающей поперечное сечение режущего инструмента в соответствии с первым воплощением настоящего изобретения, снятой посредством электронного микроскопа.Figure 2 is a photograph showing a cross section of a cutting tool in accordance with the first embodiment of the present invention, taken by means of an electron microscope.

Фиг.3 является фотографией, снятой электронным микроскопом, показывающей поперечное сечение обычного режущего инструмента.Figure 3 is a photograph taken by an electron microscope showing a cross section of a conventional cutting tool.

Фиг.4 является фотографией, снятой оптическим микроскопом, режущего инструмента на фиг.2 после проведения испытаний на твердость по Викерсу для сравнения силы адгезии слоя покрытия к подложке.FIG. 4 is a photograph taken by an optical microscope of the cutting tool of FIG. 2 after conducting Vickers hardness tests to compare the adhesion strength of the coating layer to the substrate.

Фиг.5 является фотографией, снятой оптическим микроскопом, режущего инструмента на фиг.3 после проведения испытаний на твердость по Викерсу для сравнения силы адгезии слоя покрытия к подложке.FIG. 5 is a photograph taken by an optical microscope of the cutting tool of FIG. 3 after conducting Vickers hardness tests to compare the adhesion strength of the coating layer to the substrate.

Фиг.6 является фотографией, снятой электронным микроскопом, показывающей поперечное сечение режущего инструмента в соответствии со вторым воплощением настоящего изобретения.6 is a photograph taken by an electron microscope showing a cross section of a cutting tool in accordance with a second embodiment of the present invention.

Фиг.7 и 8 являются фотографиями, снятыми электронным микроскопом, показывающими поперечное сечение обычных режущих инструментов.7 and 8 are photographs taken by an electron microscope showing a cross section of conventional cutting tools.

Фиг.9 является фотографией, снятой оптическим микроскопом, режущего инструмента на фиг.6 после проведения испытаний на твердость по Викерсу для сравнения силы адгезии слоя покрытия к подложке.Fig.9 is a photograph taken by an optical microscope of the cutting tool of Fig.6 after testing the Vickers hardness to compare the adhesion force of the coating layer to the substrate.

Фиг.10 является фотографией, снятой оптическим микроскопом, режущего инструмента на фиг.7 после проведения испытаний на твердость по Викерсу для сравнения силы адгезии слоя покрытия к подложке.Figure 10 is a photograph taken by an optical microscope of the cutting tool in figure 7 after testing the Vickers hardness to compare the adhesion force of the coating layer to the substrate.

Фиг.11 является фотографией, снятой оптическим микроскопом, режущего инструмента на фиг.8 после проведения испытаний на твердость по Викерсу для сравнения силы адгезии слоя покрытия к подложке.11 is a photograph taken by an optical microscope of the cutting tool of FIG. 8 after conducting Vickers hardness tests to compare the adhesion strength of the coating layer to the substrate.

Фиг.12 является графиком сравнения сроков службы режущего инструмента в соответствии с первым воплощением настоящего изобретения и обычных режущих инструментов.12 is a graph comparing the life of a cutting tool in accordance with a first embodiment of the present invention and conventional cutting tools.

Фиг.13 является фотографией, снятой оптическим микроскопом, режущего инструмента в соответствии с первым воплощением настоящего изобретения, показывающей степень износа режущего края после использования.Fig is a photograph taken by an optical microscope of a cutting tool in accordance with the first embodiment of the present invention, showing the degree of wear of the cutting edge after use.

Фиг.14-16 являются фотографиями, снятыми оптическим микроскопом, обычных режущих инструментов, показывающими соответствующие степени износа режущих краев после использования.Figs. 14-16 are photographs taken by an optical microscope of conventional cutting tools showing respective degrees of wear of the cutting edges after use.

Фиг.17 является графиком, сравнивающим сроки службы режущего инструмента в соответствии со вторым воплощением настоящего изобретения и обычных режущих инструментов.17 is a graph comparing the life of a cutting tool in accordance with a second embodiment of the present invention and conventional cutting tools.

Фиг.18 является фотографией, снятой оптическим микроскопом, режущего инструмента в соответствии со вторым воплощением настоящего изобретения, показывающей степень износа режущего края после использования.FIG. 18 is a photograph taken by an optical microscope of a cutting tool in accordance with a second embodiment of the present invention, showing the degree of wear of the cutting edge after use.

Фиг.19-21 являются фотографиями, снятыми оптическим микроскопом, обычных режущих инструментов, показывающими их соответствующие степени износа режущих краев после использования.19-21 are photographs taken by an optical microscope of conventional cutting tools showing their respective degrees of wear of the cutting edges after use.

Наилучший метод воплощения изобретенияBEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

В соответствии с первым воплощением настоящего изобретения режущая вставка из керамики на основе оксида алюминия включает в себя оксид алюминия и от 0,1 до 25 об.% одного или более оксидов металлов. Металл, образующий указанный оксид металла, выбирается из группы, состоящей из элементов групп от III до VI (включая группа La и группу Ac) Периодической таблицы элементов, Mg и Co. Режущая вставка имеет один или более покрывающих нитридных слов на основе Al-Ti-Cr, сформированных на поверхности. Предпочтительно один или более покрывающих нитридных слоев на основе Al-Ti-Cr имеет толщину от 0,3 до 5,0 мкм, предпочтительно от 0,5 до 2,0 мкм. Когда толщина слоя покрытия меньше 0,3 мкм, слой покрытия легко изнашивается и отслаивается во время процесса резания. Таким образом влияние слоя покрытия на повышение срока службы инструмента не обеспечивается. Кроме того, когда слой покрытия толще 0,5 мкм, сила адгезии между подложкой и материалом покрытия становится слабой, и слой покрытия легко отслаивается или разрушается. Это укорачивает срок службы инструмента.According to a first embodiment of the present invention, an alumina ceramic cutting insert includes alumina and from 0.1 to 25 vol.% Of one or more metal oxides. The metal forming the indicated metal oxide is selected from the group consisting of elements of groups III to VI (including La group and Ac group) of the Periodic table of the elements, Mg and Co. The cutting insert has one or more Al-Ti-Cr based nitride coating words formed on the surface. Preferably, one or more Al-Ti-Cr based nitride coating layers has a thickness of 0.3 to 5.0 μm, preferably 0.5 to 2.0 μm. When the thickness of the coating layer is less than 0.3 μm, the coating layer wears and peels off easily during the cutting process. Thus, the effect of the coating layer on increasing the tool life is not ensured. In addition, when the coating layer is thicker than 0.5 μm, the adhesion force between the substrate and the coating material becomes weak, and the coating layer easily peels off or breaks. This shortens the tool life.

Фиг.1 является фотографией, показывающей различные типы режущих вставок, в которых может быть использовано настоящее изобретение. В то время как настоящее изобретение описано со ссылкой на воплощения режущих инструментов, следует учитывать, что настоящее изобретение может также быть применено в различных механических структурах или функциональных деталях, которые изготавливаются из керамики.Figure 1 is a photograph showing various types of cutting inserts in which the present invention can be used. While the present invention has been described with reference to embodiments of cutting tools, it should be appreciated that the present invention can also be applied to various mechanical structures or functional parts that are made of ceramic.

Фиг.2 и 3 являются фотографиями поперечных сечений указанной режущей вставки и обычной режущей вставки соответственно, снятых электронным микроскопом с увеличением 7000, для сравнения силы адгезии слоев покрытия к подложкам. Фиг.2 показывает поперечное сечение режущей вставки в соответствии с настоящим изобретением, в которой слой покрытия, имеющий состав (TiAlCrN+TiN), наносится физическим осаждением из паровой фазы до толщины около 1,2 мкм на подложку на основе оксида алюминия, имеющую состав (Al₂O₃+8,0% ZrO₂+0,3% MgO). На фиг.3 показано поперечное сечение обычной режущей вставки, в которой покрывающий слой, имеющий состав из TiN, наносится физическим осаждением из паровой фазы до толщины около 1,0 мкм на подложку на основе оксида алюминия, имеющую состав (Al₂O₃+3,0% ZrO₂+0,3% MgO).Figures 2 and 3 are photographs of cross-sections of the indicated cutting insert and conventional cutting insert, respectively, taken by electron microscope with a magnification of 7000, to compare the adhesion force of the coating layers to the substrates. Figure 2 shows a cross section of a cutting insert in accordance with the present invention, in which a coating layer having a composition (TiAlCrN + TiN) is deposited by physical vapor deposition to a thickness of about 1.2 μm onto an alumina substrate having the composition ( Al ₂ O ₃ + 8.0% ZrO ₂ + 0.3% MgO). Figure 3 shows a cross section of a conventional cutting insert in which a coating layer having a composition of TiN is deposited by physical vapor deposition to a thickness of about 1.0 μm on an alumina-based substrate having a composition (Al ₂ O ₃ +3 , 0% ZrO ₂ + 0.3% MgO).

Как можно видеть при сравнении фиг.2 и 3, режущая вставка на фиг.2 имеет слой покрытия, плотно связанный с подложкой без какого-либо зазора, в то время как режущая вставка на фиг.3 показывает целый ряд неодинаковых зазоров, существующих между слоем покрытия и подложкой (как указано стрелками).As can be seen by comparing FIGS. 2 and 3, the cutting insert in FIG. 2 has a coating layer tightly bonded to the substrate without any gap, while the cutting insert in FIG. 3 shows a number of uneven gaps existing between the layer coating and substrate (as indicated by arrows).

Фиг.4 является фотографией для сравнения силы адгезии слоя покрытия к подложке, снятой оптическим микроскопом при увеличении 200. На фиг.4 показана поверхность режущей вставки в соответствии с настоящим изобретением после проведения испытания на твердость по Викерсу. Фиг.5 является фотографией, снятой оптическим микроскопом с увеличением 200, которая показывает поверхность обычной режущей вставки после проведения такого же испытания на твердость по Викерсу. В испытаниях на твердость по Викерсу используется алмазная пирамидка (вдавливаемый наконечник), имеющая угол 136° между двумя гранями.FIG. 4 is a photograph for comparing the adhesion force of a coating layer to a substrate captured by an optical microscope at a magnification of 200. FIG. 4 shows the surface of a cutting insert in accordance with the present invention after conducting a Vickers hardness test. 5 is a photograph taken by an optical microscope with a magnification of 200, which shows the surface of a conventional cutting insert after conducting the same Vickers hardness test. In the Vickers hardness tests, a diamond pyramid (indented tip) is used, having an angle of 136 ° between the two faces.

При сравнении фиг.4 и 5 подтверждается, что слой покрытия режущего инструмента на фиг.4 не отслаивается от подложки, и на поверхности образуется метка от вдавливания наконечника, аналогичная по форме вдавливаемому наконечнику. Слой покрытия режущего инструмента на фиг.5 легко отслаивается от поверхности подложки из-за давления вдавливаемого наконечника. Такое отслаивание слоя покрытия происходит из-за слабой силы адгезии между слоем покрытия и подложкой.When comparing FIGS. 4 and 5, it is confirmed that the coating layer of the cutting tool in FIG. 4 does not peel off the substrate, and a mark is formed on the surface from pressing the tip, similar in shape to the pressed tip. The coating layer of the cutting tool in FIG. 5 easily peels off the surface of the substrate due to the pressure of the pressed tip. This peeling of the coating layer occurs due to the weak adhesion force between the coating layer and the substrate.

В соответствии со вторым воплощением настоящего изобретения режущая вставка из керамики на основе оксида алюминия включает в себя оксид алюминия, от 5 до 80 об.% карбонитрида металла и от 0,1 до 10 об.% одного или более оксидов металлов. Металл, образующий указанный карбонитрид металла и указанный оксид металла, выбирается из группы, состоящей из элементов групп от III до VI (включая группу La и группу Ас) Периодической таблицы элементов, Mg и Со. Режущая вставка имеет один или более покрывающих нитридных слоев на основе Al-Ti-Cr, сформированных на поверхности. Предпочтительно один или более нитридных покрывающих слоев на основе Al-Ti-Cr покрытия имеет толщину от 0,3 до 5,0 мкм, предпочтительно от 0,5 до 2,0 мкм.According to a second embodiment of the present invention, an alumina ceramic cutting insert includes alumina, from 5 to 80 vol.% Metal carbonitride and from 0.1 to 10 vol.% Of one or more metal oxides. The metal forming said metal carbonitride and said metal oxide is selected from the group consisting of elements of groups III to VI (including La group and Ac group) of the Periodic Table of the Elements, Mg and Co. The cutting insert has one or more Al-Ti-Cr based nitride coating layers formed on the surface. Preferably, one or more Al-Ti-Cr based nitride coating layers has a thickness of 0.3 to 5.0 μm, preferably 0.5 to 2.0 μm.

Фиг.6-8 являются фотографиями, снятыми электронным микроскопом при увеличении 7000, для сравнения сил адгезии слоев покрытия к подложкам, на которых показаны соответственно поперечные сечения указанной режущей вставки и обычной режущей вставки. На фиг.6 показано поперечное сечение режущей вставки, сконструированной в соответствии со вторым воплощением настоящего изобретения, в которой слой покрытия, имеющий состав TiAlCrN, наносится физическим осаждением из паровой фазы до толщины около 1,2 мкм на подложку на основе оксида алюминия, имеющую состав (Al₂O₃+35% TiCN+0,5% MgO+1,0% Y₂O₃). На фиг.7 показано поперечное сечение одной из обычных режущих вставок, в которой слой покрытия, имеющий состав TiN, наносится физическим осаждением из паровой фазы до толщины около 0,2 мкм на подложку на основе оксида алюминия, имеющую состав (Al₂O₃+26% TiCN+0,5% MgO). На фиг.8 показано поперечное сечение другой обычной режущей вставки, в которой слой покрытия, имеющий состав TiN, наносится физическим осаждением из паровой фазы до толщины 0,2 мкм на подложку на основе оксида алюминия, имеющую состав (Al₂O₃+30% TiCN+0,3% MgO).6-8 are photographs taken by an electron microscope at a magnification of 7000, for comparing the adhesion forces of the coating layers to the substrates, which respectively show cross-sections of said cutting insert and a conventional cutting insert. Figure 6 shows a cross section of a cutting insert constructed in accordance with a second embodiment of the present invention, in which a coating layer having a composition of TiAlCrN is deposited by physical vapor deposition to a thickness of about 1.2 μm on an alumina substrate having the composition (Al ₂ O ₃ + 35% TiCN + 0.5% MgO + 1.0% Y ₂ O ₃ ). 7 shows a cross section of one of the conventional cutting inserts in which a coating layer having a TiN composition is deposited by physical vapor deposition to a thickness of about 0.2 μm onto an alumina-based substrate having a composition (Al ₂ O ₃ + 26% TiCN + 0.5% MgO). Fig. 8 shows a cross section of another conventional cutting insert in which a coating layer having a TiN composition is deposited by physical vapor deposition to a thickness of 0.2 μm onto an alumina-based substrate having a composition (Al ₂ O ₃ + 30% TiCN + 0.3% MgO).

Как можно видеть при сравнении фиг.6-8, режущая вставка на фиг.6 имеет слой покрытия, плотно связанный с подложкой без какого-либо зазора, в то время как слои покрытия режущих инструментов на фиг.7 и 8 отслаиваются от нескольких участков поверхности (как показано стрелками).As can be seen by comparing FIGS. 6-8, the cutting insert in FIG. 6 has a coating layer tightly bonded to the substrate without any gap, while the coating layers of the cutting tools in FIGS. 7 and 8 are peeled off from several surface sections (as shown by arrows).

Фиг.9 является фотографией для сравнения силы адгезии слоя покрытия к подложке, которая была снята оптическим микроскопом при увеличении 200. На фиг.9 показана поверхность режущей вставки в соответствии со вторым воплощением настоящего изобретения после проведения испытания на твердость по Викерсу. Фиг.10 и 11 являются фотографиями, снятыми оптическим микроскопом при увеличении 200, на которых изображены поверхности режущих вставок соответственно, показанных на фиг.7 и 8 после проведения испытания на твердость по Викерсу.Fig.9 is a photograph for comparing the adhesion force of the coating layer to the substrate, which was taken by an optical microscope at a magnification of 200. Fig. 9 shows the surface of the cutting insert in accordance with the second embodiment of the present invention after conducting a Vickers hardness test. 10 and 11 are photographs taken by an optical microscope at a magnification of 200, which depict the surfaces of the cutting inserts, respectively, shown in FIGS. 7 and 8 after the Vickers hardness test.

При сравнении фиг.9-11 подтверждается, что слой покрытия режущего инструмента на фиг.9 не отслаивается от подложки и на поверхности образуется отметка в виде пирамиды, аналогичная форме вдавливающему наконечнику. Слои покрытия режущих инструментов на фиг.10 и 11 сильно отслаиваются от подложек режущих инструментов вокруг вдавливающего наконечника.When comparing Figs. 9-11, it is confirmed that the coating layer of the cutting tool in Fig. 9 does not peel off the substrate and a pyramid mark is formed on the surface, similar to the shape of the pressing tip. The coating layers of the cutting tools of FIGS. 10 and 11 peel off strongly from the cutting tool substrates around the pressing tip.

Тестовые примеры режущих вставок, которые сконструированы в соответствии с настоящим изобретением, описаны ниже.Test examples of cutting inserts that are designed in accordance with the present invention are described below.

ТЕСТОВЫЙ ПРИМЕР 1TEST EXAMPLE 1

Испытание на режущую способность режущей вставки, которая сконструирована в соответствии с настоящим изобретением, проводилось так, как описано ниже.The cutting ability test of the cutting insert, which is constructed in accordance with the present invention, was carried out as described below.

Срок службы каждой режущей вставки измерялся, при этом сроком службы является время, в течение которого боковая поверхность режущего инструмента претерпевает износ, величина которого достигает 0,25 мм.The service life of each cutting insert was measured, and the service life is the time during which the side surface of the cutting tool undergoes wear, the value of which reaches 0.25 mm.

В указанном испытании режущей способности используется следующее: режущая вставка А, включающая в себя подложку, имеющую состав (Al₂O₃+8,0% ZrO₂+0,3% MgO), без какого-либо слоя покрытия, сформированного на ней; режущая вставка В, включающая в себя первый TiAlCrN слой покрытия и второй TiN слой покрытия на подложке, имеющей такой же состав, как и у подложки режущей вставки А; режущая вставка С, включающая TiN слой покрытия на подложке, имеющей состав (Al₂O₃+3,0% ZrO₂+0,3% MgO); и режущая вставка D, включающая в себя подложку, имеющую состав (Al₂O₃+10,0% ZrO₂+0,5% MgO), без какого-либо слоя покрытия, сформированного на ней. Режущими вставками являются SNGN120412 режущие вставки для токарной обработки в соответствии со стандартами ISO. Режущая вставка В соответствует настоящему изобретению, а режущие вставки C и D являются обычными.In this test of cutting ability, the following is used: cutting insert A, comprising a substrate having a composition (Al ₂ O ₃ + 8.0% ZrO ₂ + 0.3% MgO), without any coating layer formed on it; a cutting insert B including a first TiAlCrN coating layer and a second TiN coating layer on a substrate having the same composition as that of the cutting insert A substrate; a cutting insert C comprising a TiN coating layer on a substrate having a composition (Al ₂ O ₃ + 3.0% ZrO ₂ + 0.3% MgO); and a cutting insert D including a substrate having a composition (Al ₂ O ₃ + 10.0% ZrO ₂ + 0.5% MgO), without any coating layer formed on it. Cutting inserts are SNGN120412 cutting inserts for turning in accordance with ISO standards. The cutting insert B is in accordance with the present invention, and the cutting inserts C and D are conventional.

Условия резания были следующие: скорость резания (v)=600 об/мин; скорость подачи (f)=0,3 мм/об и глубина резания (d)=2 мм. К тому же каждая режущая вставка испытывалась на резание прутка из серого чугуна с диаметром 150 мм и длиной 700 мм. Результаты испытания показаны в нижеследующей таблице 1 и на фиг.12.The cutting conditions were as follows: cutting speed (v) = 600 rpm; feed rate (f) = 0.3 mm / rev and cutting depth (d) = 2 mm. In addition, each cutting insert was tested for cutting a bar of gray cast iron with a diameter of 150 mm and a length of 700 mm. The test results are shown in the following table 1 and in Fig.12.

Таблица 1Table 1 Режущая вставкаCutting insert ПодложкаSubstrate Слой покрытия (толщина, мкм)Coating layer (thickness, microns) Результат резанияCutting result Первый слойFirst layer Второй слойSecond layer Срок службы инструмента (мин)Tool Life (min) ПримечаниеNote AA Al₂O₃+8% ZrO₂+0,3% MgOAl ₂ O ₃ + 8% ZrO ₂ + 0.3% MgO -- -- 15fifteen BB Al₂O₃+8% ZrO₂+0,3% MgOAl ₂ O ₃ + 8% ZrO ₂ + 0.3% MgO TiAlCrN (1,0)TiAlCrN (1.0) TiN (0,2)TiN (0.2) 2626 небольшая величина износа в виде канавкиsmall groove wear CC Al₂O₃+3,0% ZrO₂+0,3% MgOAl ₂ O ₃ + 3.0% ZrO ₂ + 0.3% MgO TiN (1,2)TiN (1,2) -- 14fourteen DD Al₂O₃+10,0% ZrO₂+0,5% MgOAl ₂ O ₃ + 10.0% ZrO ₂ + 0.5% MgO -- -- 1212 Тип вставки: SNGN120412
Материал для обработки: Серый чугун (HB190-200)
Условия резания: v=600 об/мин, f=0,3 мм/об, d=2 мм, сухиеInsert Type: SNGN120412
Processing Material: Gray Cast Iron (HB190-200)
Cutting conditions: v = 600 rpm, f = 0.3 mm / r, d = 2 mm, dry

Как видно из таблицы 1, срок службы режущей вставки В с покрытием в соответствии с настоящим изобретением был приблизительно в два раза больше срока службы режущей вставки А без покрытия, имеющей такую же подложку. К тому же можно видеть, что срок службы режущей вставки В в соответствии с настоящим изобретением заметно увеличился и превышает срок службы обычных режущих вставок С и D. С другой стороны, можно видеть, что слой TiN покрытия режущей вставки С мало способствует повышению ее срока службы.As can be seen from table 1, the service life of the coated cutting insert B in accordance with the present invention was approximately two times the life of the non-coated cutting insert A, having the same substrate. In addition, it can be seen that the service life of the cutting insert B in accordance with the present invention has significantly increased and exceeds the service life of conventional cutting inserts C and D. On the other hand, it can be seen that the TiN layer of the coating of the cutting insert C does little to increase its service life .

Более того, изобретатели настоящего изобретения переходили от резания режущими вставками А к вставкам D в течение 15 минут при тех же условиях, как и выше (тестовый пример 1), и измеряли величины износа на поверхности и в канавке у самой глубоко изношенной секции. Величина износа боковой поверхности показывает среднюю величину износа в изношенных секциях без величины износа в канавке.Moreover, the inventors of the present invention switched from cutting with cutting inserts A to inserts D for 15 minutes under the same conditions as above (test example 1), and measured wear on the surface and in the groove at the deepest worn section. The amount of wear on the side surface shows the average amount of wear in the worn sections without the amount of wear in the groove.

Таблица 2table 2 Режущая вставкаCutting insert ПодложкаSubstrate Слой покрытия (толщина, мкм)Coating layer (thickness, microns) Результат резания (мм)Cutting result (mm) Первый слойFirst layer Второй слойSecond layer Износ боковой поверхности (Vb)Side wear (Vb) Износ в виде канавки (Vn)Groove wear (Vn) AA Al₂O₃+8% ZrO₂+0,3% MgOAl ₂ O ₃ + 8% ZrO ₂ + 0.3% MgO -- -- 0,250.25 0,500.50 BB Al₂O₃+8% ZrO₂+0,3% MgOAl ₂ O ₃ + 8% ZrO ₂ + 0.3% MgO TiAlCrN (1,0)TiAlCrN (1.0) TiN (0,2)TiN (0.2) 0,130.13 0,290.29 CC Al₂O₃+3,0% ZrO₂+0,3% MgOAl ₂ O ₃ + 3.0% ZrO ₂ + 0.3% MgO TiN (1,2)TiN (1,2) -- 0,180.18 0,400.40 DD Al₂O₃+10,0% ZrO₂+0,5% MgOAl ₂ O ₃ + 10.0% ZrO ₂ + 0.5% MgO -- -- 0,270.27 0,750.75 Тип вставки: SNGN120412
Материал для обработки: Серый чугун (HB190-200)
Условия резания: v=600 об/мин, f=0,3 мм/об, d=2 мм, сухиеInsert Type: SNGN120412
Processing Material: Gray Cast Iron (HB190-200)
Cutting conditions: v = 600 rpm, f = 0.3 mm / r, d = 2 mm, dry

Согласно результатам резания режущая вставка В в соответствии с настоящим изобретением имеет самую малую величину износа боковой поверхности и величину износа в виде канавки.According to the results of cutting, the cutting insert B in accordance with the present invention has the smallest amount of wear on the side surface and the amount of wear in the form of a groove.

Фиг.13-16 являются фотографиями, снятыми оптическим микроскопом при увеличении 200, которые соответственно показывают особенности износа режущих вставок от A до D (таблица 2). Замечено, что величина износа режущей вставки В заметно меньше величины износа других режущих вставок A, C и B. Это обусловлено отличной силой адгезии слоя покрытия режущей вставки В с подложкой, которая препятствует легкому отслаиванию слоя покрытия от подложки. Слой покрытия уменьшает коэффициент трения между режущей вставкой и деталью (даже при резании чугуна), тем самым подавляя износ режущего инструмента.13-16 are photographs taken by an optical microscope at a magnification of 200, which respectively show the features of wear of the cutting inserts from A to D (table 2). It is noted that the wear of the cutting insert B is noticeably less than the wear of the other cutting inserts A, C, and B. This is due to the excellent adhesion force of the coating layer of the cutting insert B with the substrate, which prevents easy peeling of the coating layer from the substrate. The coating layer reduces the coefficient of friction between the cutting insert and the part (even when cutting cast iron), thereby suppressing wear on the cutting tool.

ТЕСТОВЫЙ ПРИМЕР 2TEST EXAMPLE 2

Измерялся срок службы каждой режущей вставки, при этом режущими вставками были: режущая вставка Е, включающая в себя подложку, имеющую состав (Al₂O₃+1,0% Y₂O₃+35,0% TiCN+0,5% MgO), без какого-либо покрытия, сформированного на ней; режущая вставка F, включающая в себя TiAlCrN слой покрытия, сформированный на подложке, имеющей такой же состав, как у подложки режущей вставки Е; режущая вставка G, включающая в себя TiN слой покрытия, сформированный на подложке, имеющей состав (Al₂O₃+26,0% TiCN+0,5% MgO); и режущая вставка Н, включающая в себя TiN слой покрытия, сформированный на подложке, имеющей состав (Al₂O₃+30,0% TiCN+0,3% MgO). Режущими вставками являются режущие вставки CNGA120408 для токарных работ в соответствии со стандартами ISO. Режущая вставка F находится в соответствии с настоящим изобретением, а режущие вставки G и H являются общеизвестными.The service life of each cutting insert was measured, while the cutting inserts were: cutting insert E, which includes a substrate having the composition (Al ₂ O ₃ + 1.0% Y ₂ O ₃ + 35.0% TiCN + 0.5% MgO ), without any coating formed on it; a cutting insert F including a TiAlCrN coating layer formed on a substrate having the same composition as that of the cutting insert E; a cutting insert G including a TiN coating layer formed on a substrate having the composition (Al ₂ O ₃ + 26.0% TiCN + 0.5% MgO); and a cutting insert H comprising a TiN coating layer formed on a substrate having a composition (Al ₂ O ₃ + 30.0% TiCN + 0.3% MgO). Cutting inserts are CNGA120408 cutting inserts for turning in accordance with ISO standards. The cutting insert F is in accordance with the present invention, and the cutting inserts G and H are well known.

Условия резания были: скорость резания (v)=270 об/мин; скорость подачи (f)=0,1 мм/об, и глубина резания (d)=2 мм. Кроме того каждая режущая вставка испытывалась на резание прутка из закаленного стального сплава, имеющего диаметр 150 мм и длину 700 мм. Результаты такого испытания показаны в нижеприведенной таблице 3 и на фиг.17.The cutting conditions were: cutting speed (v) = 270 rpm; feed rate (f) = 0.1 mm / rev and cutting depth (d) = 2 mm. In addition, each cutting insert was tested for cutting a bar of hardened steel alloy having a diameter of 150 mm and a length of 700 mm. The results of such a test are shown in Table 3 below and in FIG.

Таблица 3Table 3 Режущая вставкаCutting insert ПодложкаSubstrate Слой покрытия (толщина, мкм)Coating layer (thickness, microns) Результат резанияCutting result Срок службы инструмента (мин)Tool Life (min) ПримечаниеNote EE Al₂O₃+1,0% Y₂O₃+35,0% TiCN+0,5% MgOAl ₂ O ₃ + 1.0% Y ₂ O ₃ + 35.0% TiCN + 0.5% MgO - (-)- (-) 20twenty -- FF Al₂O₃+1,0% Y₂O₃+35,0% TiCN+0,5% MgOAl ₂ O ₃ + 1.0% Y ₂ O ₃ + 35.0% TiCN + 0.5% MgO TiAlCrN (1,2)TiAlCrN (1,2) 4545 показывает медленный износ инструментаshows slow tool wear GG Al₂O₃+26,0% TiCN+0,5% MgOAl ₂ O ₃ + 26.0% TiCN + 0.5% MgO TiN (0,2)TiN (0.2) 2525 -- HH Al₂O₃+30,0% TiCN+0,3% MgOAl ₂ O ₃ + 30.0% TiCN + 0.3% MgO TiN (0,2)TiN (0.2) 2727 -- Тип вставки: SNGA120408
Материал для обработки: закаленный стальной сплав (HRc 45-50)
Условия резания: v=270 об/мин, f=0,1 мм/об, d=0,5 мм, влажныеInsert Type: SNGA120408
Processing material: hardened steel alloy (HRc 45-50)
Cutting conditions: v = 270 rpm, f = 0.1 mm / r, d = 0.5 mm, wet

Как можно видеть в вышеприведенной таблице 3, срок службы режущей вставки F c покрытием в соответствии с настоящим изобретением был приблизительно в два раза больше срока службы режущей вставки Е без покрытия, имеющей такую же подложку. Кроме того, можно видеть, что срок службы режущей вставки F в соответствии с настоящим изобретением значительно увеличился и превысил сроки службы обычных режущих вставок G и H.As can be seen in the above table 3, the service life of the coated cutting insert F in accordance with the present invention was approximately two times the life of an uncoated cutting insert E having the same substrate. In addition, it can be seen that the service life of the cutting insert F in accordance with the present invention has significantly increased and exceeded the service life of conventional cutting inserts G and H.

Помимо этого резание проводилось режущими вставками от Е до Н в течение 15 минут при тех же условиях, как и выше (тестовый пример 2), и отмечалась каждая особенность режущих вставок. Величина износа каждой режущей вставки показана ниже.In addition, the cutting was carried out by cutting inserts from E to H for 15 minutes under the same conditions as above (test example 2), and each feature of the cutting inserts was noted. The amount of wear of each cutting insert is shown below.

Таблица 4Table 4 Режущая вставкаCutting insert ПодложкаSubstrate Слой покрытия (толщина, мкм)Coating layer (thickness, microns) Величина износа (мм)The amount of wear (mm) EE Al₂O₃+1,0% Y₂O₃+35,0% TiCN+0,5% MgOAl ₂ O ₃ + 1.0% Y ₂ O ₃ + 35.0% TiCN + 0.5% MgO - (-)- (-) 0,250.25 FF Al₂O₃+1,0% Y₂O₃+35,0% TiCN+0,5% MgOAl ₂ O ₃ + 1.0% Y ₂ O ₃ + 35.0% TiCN + 0.5% MgO TiAlCrN (1,2)TiAlCrN (1,2) 0,130.13 GG Al₂O₃+26,0% TiCN+0,5% MgOAl ₂ O ₃ + 26.0% TiCN + 0.5% MgO TiN (0,2)TiN (0.2) 0,220.22 HH Al₂O₃+30,0% TiCN+0,3% MgOAl ₂ O ₃ + 30.0% TiCN + 0.3% MgO TiN (0,2)TiN (0.2) 0,200.20 Тип вставки: CNGA120408
Материал для обработки: закаленный стальной сплав (HRc 45-50)
Условия резания: v=270 об/мин, f=0,1 мм/об, d=0,5 мм, влажныеInsert Type: CNGA120408
Processing material: hardened steel alloy (HRc 45-50)
Cutting conditions: v = 270 rpm, f = 0.1 mm / r, d = 0.5 mm, wet

Как свидетельствует результат резания, режущая вставка F показала наименьшую величину износа.As evidenced by the cutting result, the cutting insert F showed the smallest amount of wear.

Фиг.18-21 являются фотографиями, снятыми оптическим микроскопом при увеличении 200, на которых показаны соответственно особенности износа режущих вставок от Е до Н (таблица 4). Режущая вставка Е с подложкой без покрытия является черной, а другие режущие вставки со слоями TiAlCrN или TiN покрытия являются желтыми. В случае резания закаленного стального сплава возникает равномерный износ режущих секций и износ в виде канавки не наблюдается, не так как в случае резания чугуна. Это обусловлено очень высокой силой адгезии слоя покрытия режущей вставки F к подложке, что препятствует легкому отслаиванию слоя покрытия от подложки. Слой покрытия уменьшает коэффициент трения между режущей вставкой и деталью (даже при резании чугуна), тем самым подавляя износ режущего инструмента.Fig.21-21 are photographs taken by an optical microscope at a magnification of 200, which respectively show the features of wear of the cutting inserts from E to H (table 4). An uncoated cutting insert E is black, and other cutting inserts with TiAlCrN or TiN coating layers are yellow. In the case of cutting a hardened steel alloy, uniform wear of the cutting sections occurs and wear in the form of a groove is not observed, not as in the case of cutting cast iron. This is due to the very high adhesion force of the coating layer of the cutting insert F to the substrate, which prevents easy peeling of the coating layer from the substrate. The coating layer reduces the coefficient of friction between the cutting insert and the part (even when cutting cast iron), thereby suppressing wear on the cutting tool.

Хотя настоящее изобретение было показано и описано в частности со ссылкой на примерные его воплощения, специалисты в этой области должны понимать, что в него могут быть внесены изменения и модификации без отступления от объема настоящего изобретения.Although the present invention has been shown and described in particular with reference to exemplary embodiments thereof, those skilled in the art should understand that changes and modifications can be made thereto without departing from the scope of the present invention.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕINDUSTRIAL APPLICATION

Режущий инструмент из керамики на основе оксида алюминия в соответствии с настоящим изобретением сохраняет материал покрытия в связи с его сильной адгезией к подложке и он не отслаивается от нее во время высокоскоростного резания материала высокой твердости, такого как чугун или закаленная сталь. Таким образом обеспечивается режущий инструмент с высокой износостойкостью и очень высоким сроком службы.The aluminum oxide ceramic cutting tool of the present invention retains the coating material due to its strong adhesion to the substrate and does not peel off during high speed cutting of high hardness material such as cast iron or hardened steel. This provides a cutting tool with high wear resistance and a very high service life.

Claims

1. A cutting tool including an alumina-based substrate and one or more Al-Ti-Cr coating nitride layers formed on the surface of the substrate, one or more Al-Ti-Cr coating nitride layers are Al _w Ti _x Cr _y Si _z C _v N _1-v , with W + X + Y + Z = 1 and V from 0 to less than 1.

2. The tool according to claim 1, in which the substrate based on alumina includes alumina and from 0.1 to 25 vol.% One or more metal oxides, and the metal forming the specified metal oxide is selected from the group consisting of elements of groups III to VI, including La group and Ac group of the Periodic table of elements, Mg and Co.

3. A cutting tool including an alumina based substrate and one or more Al-Ti-Cr based nitride coating layers formed on the surface of the substrate, the alumina based substrate including alumina, from 5 to 80 rpm .% metal carbonitride and from 0.01 to 10 vol.% one or more metal oxides, and the metal forming the specified metal carbonitride and the specified metal oxide is selected from the group consisting of elements of groups III to VI, including La group and group Ac Periodic Table of Elements, Mg and Co .

4. The tool according to any one of claims 1 to 3, in which one or more coating nitride layers based on Al-Ti-Cr have a thickness of from 0.3 to 5.0 microns.

5. A tool according to any one of claims 1 to 3, in which one or more Al-Ti-Cr based nitride coating layers have a thickness of 0.5 to 2.0 μm.

6. The tool according to any one of claims 1 to 3, in which one or more Al-Ti-Cr based nitride coating layers are formed by physical vapor deposition.