Негаммафазный кубический alcro
Данное изобретение относится к покрытию для режущего инструмента и способу его нанесения. Покрытие для режущего инструмента имеет по меньшей мере один слой, содержащий металлические компоненты, имеющие формулу AlxCr1-x, где x представляет собой атомную долю, удовлетворяющую 0≤x≤0,84, и содержит неметаллические компоненты, имеющие формулу O1-yZy, где Z представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из группы N, B, C, и 0≤y≤0,65, а предпочтительно y≤0,5. Покрытие наносят со скоростью, обеспечивающей образование в нем по меньшей мере частично не гамма Cr-содержащей и оксидсодержащей фазы с кубической структурой, которая не изменяется после отжига при температуре вплоть до 1000°С в течение 25 минут. Получается износостойкое покрытие с увеличенным сроком службы, которое используется на обрабатывающих инструментах для непрерывного и прерывистого резания. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 табл.
Изобретение относится к установке нанесения покрытий, основанной на физическом осаждении из паровой фазы (PVD) для нанесения покрытия на детали, и к способу получения соответствующих покрытий. Изобретение также относится к деталям, покрытым посредством упомянутой установки нанесения покрытий.
Уровень техники
Использование износостойкого покрытия является хорошо известным методом увеличения срока службы инструмента. Покрытия особенно полезны для улучшенной твердости поверхности, твердости в горячем состоянии, а также для противостояния абразивному и химическому износу. Кроме того, может быть существенно улучшена стойкость к окислению и термостойкость рабочей поверхности.
Из-за их превосходной устойчивости к высоким температурам и сопротивления химическому износу покрытия из Al2O3 применяли в течение многих лет для защиты поверхностей режущего инструмента. В настоящее время коммерчески доступные покрытия из Al2O3 могут быть получены главным образом посредством процесса химического осаждения из паровой фазы (CVD) при высокой температуре. Например, в соответствии с US 2004202877 осаждение альфа-Al2O3 требует температур между 950 и 1050°C. Использование высокой температуры осаждения ограничивает выбор материалов основы лишь специальными марками твердых сплавов. Это, помимо дополнительной проблемы неизбежного концентрирования нежелательных продуктов разложения (таких как галогены), составляет основной недостаток CVD-процесса нанесения покрытия. Кроме того, CVD-покрытия обычно подвержены растягивающим напряжениям вследствие разных коэффициентов термического расширения покрытия и основного материала во время охлаждения от высоких температур осаждения, которые типичны для данного процесса. Поскольку такие напряжения приводят к образованию трещин, например, волнистых трещин, делая эти покрытия малопригодными для процессов механической обработки, таких как прерывистое резание.
Альтернативно, покрытия из Al2O3 могут быть получены физическим осаждением из паровой фазы (PVD) при более низких температурах.
EP 0513662 и US 5310607 (Balzers) описывают твердосплавный слой (Al,Cr)2O3, покрытый им инструмент и способ получения такого слоя, при котором из тигля, служащего в качестве анода для низковольтного дугового разряда (LVA), порошок Al и Cr совместно испаряют и осаждают на инструментах в атмосфере Ar/O2 при примерно 600°C. Покрытие проявляет остаточные сжимающие напряжения и состоит по существу из смешанных кристаллов с содержанием Cr свыше 5%, причем его термодинамическая стабильность улучшена за счет высокого содержания алюминия, а его стойкость к абразивному износу улучшена за счет увеличенной концентрации хрома. Этот слой назван модифицированным α-оксидом алюминия (корундом) со сдвигом, отражающим содержание хрома. Однако, вследствие изолирующих свойств этих слоев, их изготовление указанным методом LVA влечет за собой технологические трудности при работе в непрерывном режиме.
WO2008043606 (Balzers) описывает осаждение износостойких покрытий, содержащих слой смешанных кристаллов (Me11-xMe2x)2O3, где каждый из Me1 и Me2 представляет собой по меньшей мере один из элементов Al, Cr, Fe, Li, Mg, Mn, Nb, Ti, Sb или V, и элементы Me1 и Me2 отличаются друг от друга. Данные слои обладают структурой корунда. Покрытия были получены методом испарения катодной дугой. Полученные покрытия, как полагают, наследуют свойства α-Al2O3 и поэтому имеют превосходные термостойкость и стойкость к окислению. Кроме того, использованная процедура осаждения делает возможным осаждение оксидных слоев, испытывающих сжимающие напряжения. Помимо этого, указывается, что испарение катодной дугой является очень перспективным методом осаждения для получения оксидных или непроводящих слоев.
JP2008018503A (MMC) описывает осаждение двухслойной структуры, состоящей из слоя нитрида и верхнего слоя сложного оксида (AlCr)2O3. Слой сложного оксида Al и Cr удовлетворяет конкретной формуле состава: (Al1-QCrQ)2O3, имея кристаллическую структуру α-типа. Заявлено, что структура покрытия, содержащая слой оксида, обеспечивает превосходные характеристики резания.
WO 2004097062 (KOBE) описывает способ, при котором рост кристаллов оксида алюминия прерывают либо с периодическими интервалами посредством тонких оксидных слоев оксидов других металлов, которые также растут в соответствии со структурой корунда, таких как Cr2O3, Fe2O3, (AlCr)2O3, (AlFe)2O3, либо по меньшей мере посредством периодического диспергирования таких оксидов. Предполагается, что области слоя, охватывающие те другие оксиды металлов, поддерживаются на уровне менее 10% и предпочтительно даже менее 2%. Надо полагать, однако, что связанные с получением этих слоев большие длительности нанесения покрытия на уровне примерно 5 часов для 2 мкм едва ли подходят с практической точки зрения для промышленных процессов.
US2004121147 (KOBE) описывает осаждение Cr2O3, (AlCr)2O3 и (AlFe)2O3 типа корунда посредством несбалансированного магнетронного распыления. Авторы предложили формирование эпитаксиального шаблона для роста структуры типа корунда. Шаблон был реализован посредством окисления слоя нитрида, например TiAlN или AlCrN.
EP10990033 (Sandvik) описывает применение двойного магнетронного распыления для осаждения слоя, имеющего шпинелеподобную структуру и состав типа MexAl2O3+x (0≤x≤1), где Me образован одним или более металлами из группы Mg, Zn, Mn, Fe, Co, Ni, Cd, Cu, Cr и Sn. Указано, что реакционная рабочая точка для процесса должна быть оптимизирована, чтобы получить разумную скорость осаждения. Кроме того, специальная конструкция мишеней была использована для осаждения многокомпонентных покрытий.
US20040137281A1 (HITACHI TOOL ENGINEERING, LTD) описывает применение метода ионного осаждения дуговым разрядом для получения защитных слоев, содержащих Al, Cr и Si в металлическом компоненте и N, B, C и O в неметаллическом компоненте. Заявлены очень широкий интервал концентраций элементов, а также многочисленные комбинации химических составов. Однако концентрация кислорода заявлена составляющей менее чем 25 ат. % в неметаллическом компоненте.
WO2007121954 (CEMECON AG) описывает применение процедуры осаждения магнетронным распылением для получения слоев (Al,Cr,Si)2O3 с концентрацией кислорода более чем 30 ат.% в неметаллическом компоненте. Авторами заявлено, что слои (Al,Cr,Si)2O3 имеют кристаллическую структуру пространственной группы Fd3m, которая образована посредством замещения Al на Cr в гамма-Al2O3. Несмотря на это, представленные результаты рентгеновского анализа не дают информации о том, что были получены кристаллы, состоящие из (Al,Cr,Si)2O3. Кроме того, не приведен химический состав полученного соединения, и этот факт делает весьма сомнительным образование заявленной структуры слоя. Авторы также упоминают, что вплоть до 70% кислорода в покрытии должно быть замещено азотом для того, чтобы получить достаточную твердость.
Хотя эти покрытия предшествующего уровня техники показывают хорошие характеристики защиты от износа, имеется также большой потенциал для дальнейшего улучшения. Хорошо известно, что слои Al2O3 проявляют более низкую твердость при комнатной температуре по сравнению с традиционными нитридными слоями, такими как TiAlN, AlCrN, TiCN. Можно также ожидать, что слои (Al,Cr)2O3 наследуют более низкую твердость Al2O3. Кроме того, применение метода магнетронного распыления является очень сложным вследствие очень узкого технологического окна и в комбинации с низкой скоростью осаждения не является коммерчески осуществимым. С другой стороны, испарение катодной дугой обеспечивает стабильную скорость осаждения, но увеличенный выброс капель из мишени приводит к довольно грубой поверхности покрытия. Более того, даже во время осаждения оксидных слоев катодной дугой скорость осаждения ниже, чем для нитридных слоев.
Задачи данного изобретения
Поэтому задачей данного изобретения является раскрытие износостойкого покрытия с увеличенным сроком службы на обрабатывающих инструментах для очень широкого диапазона применений, включая применения с непрерывным и прерывистым резанием, в том числе, но без ограничения ими, сверление, фрезерование, развертывание, точение, пробивание, нарезание резьбы и нарезание червячной фрезой.
Кроме того, задачей данного изобретения является раскрытие покрытий для заготовок для обрабатывающих деталей из различных материалов, таких как черные и цветные металлы, а также композиционные материалы.
Кроме того, задачей данного изобретения является раскрытие покрытий и/или покрытых деталей, которые могут быть использованы при различных рабочих условиях, таких как, например, сухая резка, резка с эмульсионными и жидкими охлаждающими средами, резка с минимальным количеством смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) и резка с газообразными охлаждающими средами.
Еще одной задачей данного изобретения является раскрытие детали, покрытой упомянутым покрытием по изобретению. Упомянутой деталью - обрабатывающим инструментом является сверло, концевая фреза, вставной резец, червячная фреза. Основой детали может быть сталь, включая, но не ограничиваясь ими, быстрорежущую сталь, спеченный твердый сплав (цементированный карбид), кубический нитрид бора, металлокерамику или керамический материал.
Для того чтобы решить указанные выше задачи, мы предлагаем покрытие, имеющее такие улучшенные свойства. Упомянутое покрытие содержит металлические компоненты, представленные формулой AlxCr1-x, где x представляет собой атомную долю, удовлетворяющую 0≤x≤1, и неметаллический компонент, представленный формулой O1-y(N,B,C)y, где y представляет собой атомную долю, удовлетворяющую 0≤y≤0,5. Этот слой характеризуется тем, что кристаллическая решетка слоя смешанных кристаллов имеет кубическую структуру и/или смесь кубической и гексагональной. Упомянутое износостойкое покрытие характеризуется, в частности, высокими износостойкостью, термостойкостью, стойкостью к окислению, твердостью и твердостью в горячем состоянии. Упомянутое износостойкое покрытие имеет толщину более чем 0,1 мкм и менее чем 30 мкм.
В дополнение к слою смешанных кристаллов AlxCr1-xO, система слоев может содержать один или более промежуточных слоев, в частности, связующий слой и/или твердосплавный слой. Этот промежуточный слой расположен между деталью и слоем смешанных кристаллов. На слое смешанных кристаллов может быть осажден покровный слой. Промежуточный слой и покровный слой предпочтительно содержат один из металлов подгрупп IV, V и VI Периодической системы и/или Al, Si, Fe, Ni, Co, Y, La или их смесь. Металлы твердосплавного слоя и/или покровного слоя предпочтительно образуют соединение с по меньшей мере одним из N, C, O, B или их смесями, и соединение с N или CN является особенно предпочтительным.
Кроме того, возможны, например, следующие варианты:
- модуляция соотношения Al/Cr внутри нанослоев кубического AlCrO может быть реализована посредством вращения поворотного стола;
- мультислои AlCrO/нитрид могут быть осаждены непосредственно или на несущий слой;
- смесь кубического AlCrO и гексагонального AlCrO.
Еще одной задачей изобретения является раскрытие PVD-процесса, который позволяет синтезировать эту комбинацию слоев не только в ходе отдельных процессов осаждения, но и в рамках одного процесса осаждения. Во время такого процесса предпочтительно используют температуру осаждения <650°C, а более предпочтительно <550°C, а также используют газовую атмосферу, содержащую преимущественно разбавляющий газ, которым предпочтительно является N, и реакционно-способный газ O при суммарном давлении газов, находящемся между 0,5 и 10 Па, и напряжение смещения между 40 и 200 В.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - рентгеновская дифрактограмма покрытий №№ 1.1-1.6, осажденных с использованием мишеней из Cr и разных потоков кислорода.
Фиг.2 - рентгеновская дифрактограмма покрытий №№ 2.1-2.6, осажденных с использованием мишеней из AlCr (50/50) и разных потоков кислорода.
Фиг.3 - рентгеновская дифрактограмма покрытий №№ 3.1-3.6, осажденных с использованием мишеней из AlCr (70/30) и разных потоков кислорода.
Фиг.4 - рентгеновская дифрактограмма покрытий №№ 4.1-4.5, осажденных с использованием мишеней из AlCr (85/15) и разных потоков кислорода.
Фиг.5 - СЭМ-изображения поперечного сечения a) покрытия №2.3 и b) покрытия №2.6.
Фиг.6 - рентгеновские дифрактограммы a) покрытия №2.4 после отжига при 1000°C в атмосфере N2 в течение 60 минут, b) покрытия №2.4 в состоянии после осаждения.
Фиг.7 - рентгеновские дифрактограммы a) покрытия № 3.3 после отжига при 1000°C в атмосфере N2 в течение 60 минут, b) покрытия №3.3 в состоянии после осаждения.
Фиг.8 - рентгеновские дифрактограммы a) покрытия №4.5 после отжига при 1000°C в атмосфере N2 в течение 60 минут, b) покрытия №4.5 в состоянии после осаждения, c) покрытия №4.2 после отжига при 1000°C в атмосфере N2 в течение 60 минут, d) покрытия №4.2 в состоянии после осаждения.
Фиг.9 - пример структуры покрытия, содержащего несущий слой нитрида и мультислои нитрида/оксида.
Подробное описание решения по изобретению
Для того чтобы получить покрытия согласно данному изобретению, детали размещали в соответственно выполненных с возможностью двойного или тройного вращения держателях. Держатели позиционировали в вакуумной технологической камере, после чего вакуумную камеру откачивали до давления примерно 10-4 мбар.
Для создания рабочей температуры, поддерживаемой радиационными нагревателями, поджигали плазму низковольтного дугового разряда (LVA) между отделенной перегородкой катодной камерой, заключающей внутри себя горячий катод (термокатод), и анодными деталями в атмосфере аргона-водорода.
Были выбраны следующие параметры нагревания:
Ток разряда (LVA) - 250 A
Поток аргона - 50 станд. куб. см/мин
Поток водорода - 300 станд. куб. см/мин
Рабочее давление - 1,4 Па
Температура основы - приблизительно 550°C
Продолжительность процесса - 45 мин
Специалистам в данной области техники будут понятны возможные альтернативы. Предпочтительно, основа подсоединена в качестве анода для низковольтного дугового разряда, а также предпочтительно при пульсировании однополярным или биполярным образом.
В качестве следующей процедурной стадии инициировали травление посредством активации низковольтного дугового разряда между нитью и вспомогательным анодом. При этом также между деталями и заземленной рамой может быть подсоединен работающий на постоянном токе, импульсном постоянном токе или переменном токе источник питания средней частоты или радиочастоты. Преимущественно, однако, к деталям прикладывали отрицательное напряжение смещения.
Были выбраны следующие параметры травления:
Поток аргона - 60 станд. куб. см/мин
Рабочее давление - 0,24 Па
Ток разряда, LVA - 150 A
Температура основы - приблизительно 550°C
Продолжительность процесса - 10-60 мин
Смещение - 200-250 В
Следующая процедурная стадия заключалась в нанесении на основу промежуточного слоя TiN.
Для осаждения промежуточного слоя TiN были выбраны следующие параметры:
Поток аргона - 0 станд. куб. см/мин (аргон не добавляли)
Поток азота регулируется по давлению до 0,8 Па.
Рабочее давление 0,8 Па
Ток источника постоянного тока, Ti - 160 A
Ток обмотки источника - 1 A
Смещение постоянного тока на основе U = -100 В
Температура основы - приблизительно 550°C
Продолжительность процесса - 10 мин
Следует заметить, что если требуется более высокая ионизация, то все процессы нанесения покрытия могут выполняться при содействии плазмы низковольтного дугового разряда.
Нанесение на основу фактического функционального слоя происходило либо в чистом азоте, либо в смеси азота и кислорода. Поскольку оксидное покрытие представляет собой изолирующий слой, то использовали подачу пульсирующего или переменного напряжения смещения.
Были выбраны следующие ключевые параметры осаждения функционального слоя:
Поток кислорода - 0-600 станд. куб. см/мин
Поток азота регулируется по давлению до 3,5 Па.
Рабочее давление - 3,5 Па
Ток источника постоянного тока, Al-Cr - 180-200 A
Ток обмотки источника - 0,5-1 A
Смещение на основе U = 60 В (биполярное, 36 мкс отрицательное, 4 мкс положительное)
Температура основы - приблизительно 550°C
Продолжительность процесса - 150 мин
Примеры испытаний №№ 1.1-4.5, представленные в Таблице 1, относятся к простым системам слоев согласно изобретению, каждая из которых состоит из слоя оксида типа (Al1-xCrx)O, полученного в интервале состава 0≤x≤0,85 и нанесенного на промежуточный слой TiN. Остальные параметры были идентичны параметрам, описанным выше для получения функционального слоя.
Фиг.1 показывает рентгеновскую дифрактограмму покрытий №№ 1.1-1.6, осажденных с использованием мишеней из Cr. Можно видеть, что покрытие №1.1, осажденное в атмосфере чистого азота, обладает структурой CrN. Кроме того, могут быть идентифицированы рефлексы основ. Если добавляется немного кислорода, то рефлекс при примерно 43,6° слегка сдвигается в сторону меньших углов. Это может быть связано с внутренними напряжениями при внедрении кислорода в решетку. Покрытия №№ 1.2-1.4, осажденные с дополнительным добавлением кислорода к реакционному газу, показывают также изменение текстуры, когда наиболее выражен рефлекс в положении 2θ примерно 43,6°. Для того чтобы идентифицировать положение рефлекса, оба значения на половине максимума соединяют прямой линией. Середина этой прямой линии может рассматриваться как положение рефлекса. На фигурах №№ 1.2-1.4 рефлекс при примерно 43,6° показывает сдвиг к более высоким угловым положениям при увеличенном содержании кислорода. Как можно видеть из фигуры, для покрытий №1.5 и №1.6 рефлекс при примерно 43,6° полностью исчезает, и спектры показывают отчетливую структуру эсколаита с преобладающей текстурой. Химический состав, измеренный посредством спектроскопии резерфордовского обратного рассеивания (RBS) для покрытий №№ 1.1-1.6, представлен в Таблице 1. Покрытие №1.1 показывает отчетливое образование стехиометрического CrN. Покрытия №1.2-№1.4 показывают непрерывное замещение азота кислородом в составе покрытия. Покрытие №1.4, осажденное при потоке кислорода 130 станд. куб. см/мин, показывает образование богатого кислородом состава. Покрытие №1.4 содержит почти в три раза меньше азота, чем кислорода. Поскольку покрытие №1.4 показывает лишь низкую концентрацию азота и высокую концентрацию кислорода, а рентгеновская дифрактограмма показывает образование кубической фазы, которая смещается в направлении кубического CrO, если больше азота замещено кислородом, то нами сделан вывод, что образуется по меньшей мере частично кубический CrO.
Фиг.2 показывает рентгеновские дифрактограммы для покрытий №№ 2.1-2.6, осажденных с использованием мишеней из AlCr (50/50) и потока кислорода, изменяющегося от 0 до 400 станд. куб. см/мин. Все рентгеновские дифрактограммы, которые показаны на Фиг.2, демонстрируют рефлексы основы из WC и промежуточного слоя из TiN. Покрытие №2.1, осажденное в атмосфере чистого азота, показывает образование кубического AlCrN. Кубический AlCrN может быть идентифицирован по двум рефлексам кубического CrN в положениях 2θ примерно 37,5° и 43,6°. Небольшое смещение пика к более высоким углам 2θ может быть приписано внедрению Al в решетку кубического CrN. Это соответствует результатам измерений RBS, приведенным в Таблице 1, где в покрытии был определен лишь азот и нет кислорода. Покрытия №№ 2.2-2.5 были осаждены при потоке кислорода, который увеличивали со 100 станд. куб. см/мин (№2.2) до 200 станд. куб. см/мин (№2.5). Соответствующие покрытия показывают очень выраженный рефлекс в положении 2θ примерно 43,6°. Рефлекс становится более явно выраженным, если поток кислорода увеличивается со 100 до 150 станд. куб. см/мин. Интенсивность рефлекса уменьшается, если поток кислорода увеличивается далее со 150 до 200 станд. куб. см/мин. Кроме того, положение рефлекса изменяется непрерывно от кубического AlCrN к кубическому CrO, если поток кислорода увеличивается. Как можно видеть из Таблицы 1, покрытие №2.3, осажденное при потоке кислорода 150 станд. куб. см/мин, имеет высокое содержание кислорода и низкое содержание азота. Более того, покрытия №2.4 и №2.5 показывают присутствие лишь кислорода в качестве неметаллической части. Результаты химического анализа в комбинации с рентгеновской дифракцией подтверждают образование оксида с кубической структурой. По меньшей мере пять рефлексов Cr2O3 со структурой гексагонального типа могут быть идентифицированы на рентгеновской дифрактограмме покрытия №2.6, осажденного при потоке кислорода 400 станд. куб. см/мин. Этот результат хорошо коррелирует с химическим составом покрытия, где в неметаллическом компоненте был обнаружен лишь кислород.
Фиг.3 показывает рентгеновские дифрактограммы для покрытий №№ 3.1-3.6, осажденных с использованием мишеней из AlCr (70/30) и потока кислорода, изменяющегося от 0 до 600 станд. куб. см/мин. Все рентгеновские дифрактограммы, которые показаны на Фиг.3, демонстрируют рефлексы основы из WC и промежуточного слоя из TiN. Покрытие №3.1, осажденное в атмосфере чистого азота, показывает образование кубического AlCrN. Как уже обсуждалось, кубический AlCrN может быть идентифицирован по двум рефлексам кубического CrN в положениях 2θ примерно 37,5° и 43,6°. Небольшое смещение пика к более высоким углам 2θ может быть приписано внедрению Al в решетку кубического CrN. Введение кислорода в реакционную газовую атмосферу приводит к образованию оксидных слоев №3.2-№3.4 с кубической структурой. При потоках кислорода 400 и 600 станд. куб. см/мин оксидные слои №3.5 и №3.6 показывают гексагональную структуру. Кроме того, рентгеновские дифрактограммы №3.5 и №3.6 показывают слабые рефлексы в положениях 2θ примерно 45° и 67°, которые относятся к гамма-Al2O3.
Фиг.4 показывает рентгеновские дифрактограммы для покрытий №№ 4.1-4.5, осажденных с использованием мишеней из AlCr (85/15) и потока кислорода, изменяющегося от 0 до 400 станд. куб. см/мин. Все рентгеновские дифрактограммы, которые показаны на Фиг.4, демонстрируют рефлексы основы из WC и промежуточного слоя из TiN. Покрытие №4.1, осажденное в атмосфере чистого азота, демонстрирует аморфную структуру без каких-либо рефлексов от функционального слоя. Большей частью такая же структура может наблюдаться для покрытия №4.2, которое было осаждено при потоке кислорода 100 станд. куб. см/мин. Покрытия №4.3 и №4.4, которые содержат главным образом кислород в неметаллическом компоненте, показывают образование кубической структуры. При потоке кислорода 400 станд. куб. см/мин может наблюдаться образование лишь гамма-Al2O3.
Приведенные выше результаты подтверждают образование оксидного покрытия с кубической структурой, похожей на CrO, но не похожей на гамма-Al2O3, при определенном потоке кислорода и в очень широком интервале состава. Оксидные покрытия с кубической структурой могут быть получены даже при высоких содержаниях Al, когда рост гексагональной фазы невозможен.
Фиг.5 показывает СЭМ-изображения поперечного сечения покрытия №2.3 (Фиг.5a) с кубической структурой и покрытия №2.6 с гексагональной структурой (Фиг.5b). Можно видеть, что покрытие №2.3 (Фиг.5a) имеет плотную структуру без явно выраженных капель, однако покрытие №2.6 (Фиг.5b) демонстрирует многочисленные крупные капли (отмеченные стрелками). Включенные капли в покрытии №2.6 приводят к более грубой поверхности по сравнению с покрытием №2.3. Это является одной из причин того, почему выгодно получать оксидные покрытия с кубической структурой.
Для того чтобы исследовать термостойкость покрытий, выполняли эксперименты с отжигом. Образцы нагревали вплоть до 1000°C в течение 25 минут и выдерживали в печи в течение 60 минут. Нагрев и отжиг выполняли в атмосфере азота. Изменения структуры вследствие нагрева определяли посредством рентгеновской дифрактометрии. Фиг.8a и Фиг.8b показывают рентгеновские дифрактограммы покрытия №4.5 a) после и b) до отжига. Как можно видеть, имеет место резкое изменение в дифрактограмме после отжига. Наше объяснение заключается в том, что покрытие №4.5 с (кубической) гамма-структурой до отжига демонстрирует образование гексагональной фазы после отжига. Это не очень удивительно, поскольку известно, что гаммафазные структуры преобразуются в альфафазные структуры при условиях отжига.
Фиг.8c и Фиг.8d показывают рентгеновские дифрактограммы покрытия №4.2 c) после и d) до отжига. Покрытие №4.2 с кубической структурой не демонстрирует значительных изменений в кристаллической структуре, поскольку рентгеновская дифрактограмма по существу не изменилась. В итоге, доминирующая кубическая структура №4.2 не является гаммафазной структурой. То же самое поведение наблюдалось для всех других покрытий, как показано на Фиг.6 и Фиг.7.
Скорость осаждения для покрытий Al-Cr-O-N как функция потока кислорода представлена в Таблице 2. Ясно видно, что независимо от состава мишени наибольшая скорость осаждения может быть достигнута при потоке кислорода, который соответствует образованию оксидного слоя с кубической структурой. Более высокая скорость осаждения оксидных слоев с негаммафазными кубическими структурами чрезвычайно выгодна для процесса промышленного производства вследствие пониженных затрат времени и тем самым повышенной производительности.
Наблюдалось (см. Таблицу 2), что твердость покрытий Al-Cr-O-N с негаммафазной кубической структурой выше, чем у покрытий с гексагональной или гаммаподобной структурой. Более того, твердость оксидных покрытий с кубической структурой даже выше или сравнима с твердостью нитридных покрытий.
Результаты испытаний на резание с применением покрытий Al-Cr-O-N обобщены в Таблице 2. Условия резания:
Деталь: DIN 1.7220 (твердость по Бринеллю 200-220)
Режущий инструмент: Вставной резец из спеченного твердого сплава (цементированного карбида) CNMG120408
Скорость резания: 200 м/мин
Скорость подачи: 0,15 мм/об
Глубина реза: 3 мм
Охлаждающая среда: сухая
Операция резания: обтачивание
Окончание срока службы: измерение износа через одну минуту резания: критерий окончания срока службы VBmax > 200 мкм.
Как можно видеть из последней, четвертой, колонки Таблицы 2, покрытия по изобретению показывают значительно более высокие характеристики резания по сравнению с чисто нитридными слоями, а также по сравнению с оксидными слоями с гексагональной или гамма-структурой.
Следует указать, что с целью расширения диапазона применения слоя по изобретению структура покрытия может включать, например, несущий слой, а также многослойную структуру, содержащую слои кубического оксида и нитрида. Пример показан на Фиг.9.
Раскрыто покрытие для деталей с по меньшей мере одним слоем, причем этот по меньшей мере один слой содержит металлические компоненты, представленные формулой AlxCr1-x, где x представляет собой атомную долю, удовлетворяющую 0≤x≤0,84, и содержит неметаллические компоненты, представленные формулой O1-yZy, где Z представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из группы N, B, C, и 0≤y≤0,65, предпочтительно y≤0,5, отличающееся тем, что покрытие содержит по меньшей мере частично кубическую не гамма Cr- и оксидсодержащую фазу таким образом, что рентгеновская дифрактограмма показывает образование кубической фазы, которая не является кубической фазой CrN.
Предпочтительно, вышеуказанное покрытие для деталей отличается тем, что x ≥ 0,5.
Предпочтительно, его рентгеновская дифрактограмма по существу не показывает изменений после отжига вплоть до 1000°C в течение 25 минут по сравнению с до отжига.
Раскрыто покрытое тело с покрытием в соответствии с вышеуказанным покрытием. Предпочтительно для этого покрытого тела предусмотрен дополнительный слой, предпочтительно слой TiN, между покрытием и поверхностью тела.
Вышеуказанное покрытое тело может быть инструментом, предпочтительно выбранным из группы сверл, концевых фрез, вставных резцов и червячных фрез, метчиков, полотен пилы.
Раскрыт способ нанесения покрытий на тела, причем упомянутый способ содержит следующие стадии:
- обеспечение тела или тел, подлежащих нанесению покрытия;
- введение тела или тел в установку нанесения покрытий ионным осаждением дуговым разрядом с мишенью состава AlaCr1-a, где 0≤a≤0,85;
- выполнение ионного осаждения дуговым разрядом таким образом, что по меньшей мере одна технологическая стадия содержит поток кислорода между 50 станд. куб. см/мин и 400 станд. куб. см/мин, предпочтительно между 100 станд. куб. см/мин и 400 станд. куб. см/мин, более предпочтительно между 150 станд. куб. см/мин и 200 станд. куб. см/мин.
Предпочтительно, по меньшей мере одна технологическая стадия в вышеуказанном способе содержит поток азота таким образом, что давление регулируется до 3,5 Па.
Предпочтительно, в качестве технологического газа не добавляют аргон.
| Таблица 1 | |||||||
| № | Состав мишени | Число мишеней | Поток кислорода (станд. куб. см/мин) | Стехиометрические коэффициенты | |||
| Al | Cr | О | N | ||||
| 1.1 | Cr | 4 | 0 | 0 | 2 | 0 | 1,9 |
| 1.2 | Cr | 4 | 50 | 0 | 2 | 0,3 | 1,7 |
| 1.3 | Cr | 4 | 100 | 0 | 2 | 1,2 | 1,3 |
| 1.4 | Cr | 4 | 130 | 0 | 2 | 1,95 | 0,7 |
| 1.5 | Cr | 4 | 150 | 0 | 2 | 2,65 | 0 |
| 1.6 | Cr | 4 | 200 | 0 | 2 | 2,9 | 0 |
| 2.1 | AlCr(50/50) | 2 | 0 | 0,91 | 1,04 | 0 | 1,75 |
| 2.2 | AlCr(50/50) | 2 | 100 | 0,93 | 1,07 | 1 | 1,1 |
| 2.3 | AlCr(50/50) | 2 | 150 | 0,97 | 1,03 | 2,4 | 0,45 |
| 2.4 | AlCr(50/50) | 2 | 180 | 0,95 | 1,05 | 2,8 | 0 |
| 2.5 | AlCr(50/50) | 2 | 200 | 0,96 | 1,04 | 2,85 | 0 |
| 2.6 | AlCr(50/50) | 2 | 400 | 1 | 1 | 3 | 0 |
| 3.1 | AlCr(70/30) | 2 | 0 | 1,34 | 0,66 | 0 | 1,8 |
| 3.2 | AlCr(70/30) | 2 | 100 | 1,34 | 0,66 | 1,35 | 1,1 |
| 3.3 | AlCr(70/30) | 2 | 150 | 1,37 | 0,63 | 2,65 | 0 |
| 3.4 | AlCr(70/30) | 2 | 200 | 1,35 | 0,65 | 2,85 | 0 |
| 3.5 | AlCr(70/30) | 2 | 400 | 1,39 | 0,61 | 2,8 | 0 |
| 3.6 | AlCr(70/30) | 2 | 600 | 1,37 | 0,63 | 2,7 | 0 |
| 4.1 | AlCr(85/15) | 2 | 0 | 1,65 | 0,35 | 0 | 1,95 |
| 4.2 | AlCr(85/15) | 2 | 100 | 1,64 | 0,36 | 1,7 | 0,9 |
| 4.3 | AlCr(85/15) | 2 | 150 | 1,66 | 0,34 | 2,75 | 0,2 |
| 4.4 | AlCr(85/15) | 2 | 200 | 1,67 | 0,33 | 2,65 | 0,15 |
| 4.5 | AlCr(85/15) | 2 | 400 | 1,68 | 0,32 | 2,65 | 0,1 |
| Таблица 2 | |||
| № | Скорость осаждения (нм/мин) | Твердость (ГПа) | Срок службы инструмента (мин) |
| 1.1 | 29,8 | 22,3 | 1 |
| 1.2 | 29,8 | 34,2 | 1 |
| 1.3 | 33,3 | 33,8 | 1 |
| 1.4 | 35,3 | 35,4 | 1 |
| 1.5 | 35,3 | 30,2 | 1 |
| 1.6 | 27 | 29,8 | 1 |
| 2.1 | 23,9 | 35,7 | 2 |
| 2.2 | 29,7 | 43,2 | 3 |
| 2.3 | 27 | 35,8 | 6 |
| 2.4 | 25,2 | 34,4 | 6 |
| 2.5 | 27,7 | 31,9 | 5 |
| 2.6 | 20,7 | 28,1 | 5 |
| 3.1 | 24,5 | 36,9 | 2 |
| 3.2 | 27,5 | 45,3 | 4 |
| 3.3 | 26,1 | 35,1 | 6 |
| 3.4 | 23,4 | 31,1 | 6 |
| 3.5 | 16,7 | 29,2 | 5 |
| 3.6 | 16 | 28,6 | 5 |
| 4.1 | 23 | 27,8 | 1 |
| 4.2 | 23 | 23 | 3 |
| 4.3 | 28 | 31,3 | 7 |
| 4.4 | 16 | 28,9 | 6 |
| 4.5 | 15 | 24,5 | 6 |
1. Покрытие для режущего инструмента, имеющее по меньшей мере один слой, содержащий металлические компоненты, имеющие формулу AlxCr1-x, где x представляет собой атомную долю, удовлетворяющую 0≤x≤0,84, и содержащий неметаллические компоненты, имеющие формулу O1-yZy, где Z представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из группы N, B, C, и 0≤y≤0,65, а предпочтительно y≤0,5, отличающееся тем, что покрытие нанесено со скоростью осаждения, обеспечивающей образование в нем по меньшей мере частично не гамма Cr-содержащей и оксидсодержащей фазы с кубической структурой, которая не изменяется после отжига при температуре вплоть до 1000°С в течение 25 минут.
2. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что x ≥ 0,5.
3. Покрытие по п.1 или 2, отличающееся тем, что его рентгеновская дифрактограмма по существу не показывает изменений после отжига вплоть до 1000°C в течение 25 минут по сравнению с до отжига.
4. Режущий инструмент с покрытием, которое выполнено по любому из пп. 1-3.
5. Режущий инструмент по п.4, отличающийся тем, что между покрытием и поверхностью основы осажден дополнительный слой, предпочтительно слой TiN.
6. Режущий инструмент по п.5, который является инструментом, предпочтительно выбранным из группы сверл, концевых фрез, вставных резцов и червячных фрез, метчиков, полотен пилы.
7. Способ нанесения покрытия на режущий инструмент, содержащий следующие стадии: обеспечение режущего инструмента, подлежащего нанесению покрытия, введение режущего инструмента в установку для нанесения покрытий ионным осаждением дуговым разрядом с использованием мишени состава AlаCr1-а, где 0≤a≤0,85, выполнение ионного осаждения дуговым разрядом таким образом, что по меньшей мере одна технологическая стадия содержит поток кислорода между 50 станд. куб. см/мин и 400 станд. куб. см/мин, предпочтительно между 100 станд. куб. см/мин и 400 станд. куб. см/мин, более предпочтительно между 150 станд. куб. см/мин и 200 станд. куб. см/мин, при этом покрытие наносят со скоростью осаждения, обеспечивающей образование в нем по меньшей мере частично не гамма Cr-содержащей и оксидсодержащей фазы с кубической структурой, которая не изменяется после отжига при температуре вплоть до 1000°С в течение 25 минут.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что упомянутая по меньшей мере одна технологическая стадия содержит поток азота таким образом, что давление регулируют до 3,5 Па.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что в качестве технологического газа не добавляют аргон.
