Покрытый оксидом алюминия режущий инструмент
Изобретение относится к режущей пластине с покрытием и к способу ее изготовления. Режущая пластина с покрытием, содержащим износостойкий слой α-Al2O3, состоит из подложки и осажденного на нее покрытия, состоящего из одного или более слоев, включающих износостойкий слой α-Al2O3, осажденный методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). Упомянутое покрытие имеет общую толщину максимум 60 мкм. Упомянутый износостойкий слой α-Al2O3 имеет толщину 1-45 мкм, причем на микрофотографии, полученной растровой электронной микроскопией (РЭМ), поперечного сечения слоя α-Al2O3 он содержит по меньшей мере две части, включающие часть с первой толщиной и часть со второй толщиной непосредственно поверх части с первой толщиной. Часть с первой толщиной имеет столбчатую структуру зерен α-Al2O3, а на переходе от части первой толщины к части второй толщины границы зерен по меньшей мере 1 из 25 соседних зерен α-Al2O3 имеют измененное направление, которое перпендикулярно границам зерен в части с первой толщиной и составляет 90±45 градусов. При изготовлении режущей пластины с покрытием осаждение части с первой толщиной слоя α-Al2O3 проводят в реакционной камере CVD при давлении в диапазоне от 10 до 100 мбар, температуре в диапазоне от 800°С до 1050°С в течение времени от 1 до 20 ч при концентрации реакционных газов в диапазонах от 2% до 7,5% CO2, от 0,5% до 5% HCl, от 0,5% до 5% AlCl3 и от 0,2% до 1,1% X. Осаждение упомянутой части с второй толщиной слоя α-Al2O3 осуществляют в реакционной камере CVD при давлении в диапазоне от 100 до 300 мбар, температуре в диапазоне от 800°С до 1050°С в течение времени от 5 мин до 3 ч при концентрации реакционных газов в диапазонах более 5% CO2, от 5% до 25% HCl, от 0,5% до 3% AlCl3 и менее 0,35% X, при этом X выбран из группы, состоящей из H2S, SF6 и SO2 или их сочетаний. Обеспечивается режущая пластина с повышенным качеством поверхности, сниженной шероховатостью поверхности и улучшенными механическими свойствами, а именно повышенной износостойкостью задней поверхности и стойкостью к откалыванию кромок. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил., 8 пр.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к режущей пластине с покрытием (т.е. сменной пластине для режущего инструмента) и к способу ее изготовления, причем режущая пластина с покрытием состоит из подложки, содержащей цементированный карбид, кермет, керамику, сталь или кубический нитрид бора, по меньшей мере частично покрытой покрытием, имеющим общую толщину максимум 60 мкм, состоящим из одного или более слоев, включая износостойкий слой α-Al2O3 толщиной 2-45 мкм, осажденный методом химического осаждения из газовой фазы (CVD).
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Контроль полиморфной модификации α-Al2O3 в промышленном масштабе был достигнут в начале 1990-х годов с промышленной продукцией, созданной на основе патента США 5137774. В патентах США 5654035, 5980988, 7442431 и 5863640 описано осаждение покрытий α-Al2O3 с предпочтительными волокнистыми текстурами. В патенте США 6333103 описан модифицированный способ контроля зародышеобразования и роста α-Al2O3 на плоскости (1 0 10). В патенте США 6869668 описан способ получения сильной текстуры (1 0 0) в α-Al2O3 с использованием ZrCl4 в качестве модификатора текстуры. В обсуждаемых выше процессах уровня техники использованы температуры осаждения примерно 1000°C. В патенте США 7094447 описан метод достижения резко выраженной текстуры (0 1 2). В патентах США 7442432 и 7455900 раскрыты методы осаждения для получения резко выраженных текстур (1 0 4) и (1 1 6) соответственно. В патентах США 7993742 и 7923101 раскрыты слои корунда с текстурой (0 0 1). Сопоставлены слои корунда с текстурами (0 1 2), (1 0 4) и (0 0 1) и обнаружено, что текстура (0 0 1) является наилучшей по сравнению с другими текстурами. В вышеупомянутых раскрытиях текстуры слоев α-Al2O3 были определены с использованием дифракционного рентгеновского анализа и количественно определены путем расчета коэффициентов текстуры (texture coefficients, TC) с использованием формулы Харриса. В патентах США 7763346 и 7201956 был использована технология EBSD (electron backscatter diffraction, дифракция обратного рассеяния электронов) для определения текстуры (0 0 1), а эта текстура количественно определена по наклону базовой плоскости (0 0 1) относительно поверхности покрытия.
Текстурированные слои α-Al2O3 состоят из столбчатых зерен, и зерна α-Al2O3 завершаются гранями с относительно большим углом к поверхности подложки, что приводит к шероховатой морфологии поверхности.
В патенте США 7923101 описан некоторый уровень сглаживания поверхности слоя α-Al2O3 с текстурой (0 0 1). В заявке на патент США 2012/003452 описано, что поверхности зерен с плоским верхом были получены в слоях α-Al2O3, содержащих один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из Ti, Y, Zr, Cr и B. Эти слои осаждают на слой α-Al2O3, который, в свою очередь, осаждают на термообработанной тонкой пленке α-Al2O3.
В патенте США 7597511 раскрыт режущий инструмент с поверхностным покрытием, содержащий подложку из цементированного карбида или кермета на основе карбонитрида титана с твердым слоем покрытия, включающим в себя нижний слой соединения Ti с общей средней толщиной слоя 3-20 мкм и верхний слой AlZrO, образованный в двухэтапном процессе CVD, требующем ZrCl4, причем верхний слой был описан как «преобразованный» слой AlZrO. Было показано, что «преобразованный» слой AlZrO обладает структурой с кристаллическими зернами, имеющими равноугольную форму с крупным размером частиц в плоскости, перпендикулярной направлению толщины, и удлиненную форму в направлении толщины с ровной поверхностью. Покрытие описано как демонстрирующее хорошие характеристики при резании, однако осаждение оксида Zr в дополнение к оксиду Al, как общеизвестно, повышает стоимость изготовления и предъявляет высокие требования по эксплуатационной безопасности из-за самовоспламенения свежеполированного Zr.
ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состояла в том, чтобы предложить покрытую режущую пластину с содержащим α-Al2O3 покрытием, демонстрирующим повышенное качество поверхности, сниженную шероховатость поверхности и улучшенные механические свойства, особенно повышенную износостойкость задней поверхности и стойкость к обкалыванию кромок, что очень важно во многих применениях при обработке металлов резанием, особенно при резании чугуна.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению предложена режущая пластина с покрытием, состоящая из подложки, содержащей цементированный карбид, кермет, керамику, сталь или кубический нитрид бора, имеющей осажденное на нее покрытие с общей толщиной максимум 60 мкм, состоящее из одного или более слоев, предпочтительно, огнеупорных слоев, включая предпочтительно внешний, износостойкий слой α-Al2O3 толщиной 1-45 мкм, предпочтительно, 2-45 мкм, осажденный методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), причем, при наблюдении на РЭМ-микрофотографии поперечного сечения слоя α-Al2O3,
слой α-Al2O3 содержит по меньшей мере две части - первую часть толщины и вторую часть толщины непосредственно поверх первой части толщины,
причем часть первой толщины имеет по существу столбчатую структуру зерен α-Al2O3, и
на переходе от первой части толщины ко второй части толщины границы зерен по меньшей мере 1 из 25 соседних зерен, предпочтительно, по меньшей мере 5 из 25 соседних зерен, более предпочтительно, по меньшей мере 15 из 25 соседних зерен α-Al2O3 претерпевают изменение направления на направление, которое по существу перпендикулярно границам зерен в первой части толщины, причем понятие «по существу перпендикулярно» включает в себя изменение направления, составляющее 90±45 градусов, предпочтительно, 90±30 градусов. В одном варианте воплощения изменение направления составляет от 45 до 90 градусов, предпочтительно, от 60 до 90 градусов.
В одном варианте воплощения настоящего изобретения предложена режущая пластина с покрытием, состоящая из подложки, содержащей цементированный карбид, кермет, керамику, сталь или кубический нитрид бора, имеющей осажденное на нее покрытие с общей толщиной максимум 60 мкм, содержащее один или более слоев, включая износостойкий слой α-Al2O3 толщиной 1-45 мкм, предпочтительно, 2-45 мкм, осажденный методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), в котором по меньшей мере 70%, предпочтительно по меньшей мере 80%, более предпочтительно по меньшей мере 90%, кристаллов α-Al2O3, доходящих до внешней поверхности слоя α-Al2O3, завершаются гранями, перпендикулярными оси, расположенной в пределах 0-35 градусов, предпочтительно в пределах 0-20 градусов, более предпочтительно в пределах 0-10 градусов от нормали к поверхности подложки, причем предпочтительно, эти грани, завершающие кристаллы α-Al2O3, представляют собой кристаллографические плоскости {0 0 1}. Эта ориентация граней, завершающих кристаллы α-Al2O3 на внешней поверхности слоя α-Al2O3, может быть определена методом EBSD или по РЭМ-микрофотографии поперечного сечения слоя.
Согласно настоящему изобретению также предложен способ изготовления режущей пластины с покрытием, описанной и заявленной здесь, содержащий этапы нанесения на подложку, содержащего цементированный карбид, кермет, керамику, сталь или кубический нитрид бора, покрытия с общей толщиной максимум 60 мкм, содержащего один или более слоев, включая износостойкий слой α-Al2O3 толщиной 1-45 мкм, предпочтительно, 2-45 мкм, осажденный методом химического газофазного осаждения (CVD) из реакционной газовой смеси, содержащей H2, CO2, AlCl3, HCl и X, где X выбран из группы, состоящей из H2S, SF6 и SO2, или их сочетаний, и реакционная газовая смесь дополнительно необязательно содержит добавки N2, Ar, CO или их сочетания, причем
процесс осаждения слоя α-Al2O3 содержит по меньшей мере этапы
осуществления осаждения первой части толщины слоя α-Al2O3 при первых условиях процесса для осаждения слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом вдоль первого кристаллографического направления, и
изменения условий осаждения для осуществления осаждения второй части толщины слоя α-Al2O3 при вторых условиях процесса, применимых для осаждения слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом вдоль второго кристаллографического направления, по существу перпендикулярного упомянутому первому кристаллографическому направлению, при этом осаждение при вторых условиях осаждения завершает процесс осаждения слоя α-Al2O3. Первое кристаллографическое направление может быть вдоль <0 0 1>, а по существу перпендикулярное направление может быть вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <1 0 0>.
В одном варианте воплощения изобретения первое кристаллографическое направление может быть вдоль направления, перпендикулярного {0 1 2}, а по существу перпендикулярное направление - вдоль кристаллографического направления <0 0 1> или <0 1 0>.
В одном варианте воплощения изобретения первое кристаллографическое направление может быть вдоль кристаллографического направления <0 1 0>, а по существу перпендикулярное направление - вдоль кристаллографического направления <0 0 1>.
В одном варианте воплощения изобретения первое кристаллографическое направление может быть вдоль <1 1 0>, а по существу перпендикулярное направление - вдоль кристаллографического направления <0 0 1>.
В одном варианте воплощения изобретения первое кристаллографическое направление может быть вдоль направления, перпендикулярного {1 0 4}, а по существу перпендикулярное направление - вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <0 1 0>.
Было неожиданно обнаружено, что общая волокнистая текстура слоя α-Al2O3 по настоящему изобретению определяется первыми условиями процесса для осаждения слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом кристаллов вдоль первого кристаллографического направления, например, кристаллографического направления <0 0 1>, хотя условия процесса меняются на вторые условия процесса, которые в общем применимы для осаждения слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом вдоль второго кристаллографического направления, по существу перпендикулярного первому кристаллографическому направлению. Предпочтительно, если первым кристаллографическим направлением является <0 0 1>, то вторые условия процесса представляют собой такие условия, которые в целом применимы для получения роста кристаллов вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <1 0 0>, наиболее предпочтительно, вдоль кристаллографического направления <1 1 0> слоя α-Al2O3. Вторые условия процесса являются условиями осаждения слоя α-Al2O3 без какого-либо дополнительного оксида металла в качестве модификатора текстуры, такого как оксид Zr.
В первой части толщины слоя α-Al2O3 по настоящему изобретению зерна α-Al2O3 имеют по существу столбчатую структуру зерен α-Al2O3, а на переходе от первой части толщины ко второй части толщины границы зерен претерпевают изменение направления на направление, которое по существу перпендикулярно границам зерен в первой части толщины. Изменение направления роста границы зерна у зерен α-Al2O3 можно наблюдать на РЭМ-микрофотографии поперечного сечения слоя α-Al2O3. Согласно настоящему изобретению изменение направления границ зерен можно видеть на РЭМ-микрофотографии по меньшей мере для 1 из 25 соседних зерен, предпочтительно, для 5 из 25 соседних зерен, более предпочтительно, для 15 из 25 соседних зерен α-Al2O3. Следует отметить, что в смысле настоящего изобретения термин «изменение направления на направление, которое по существу перпендикулярно границам зерен в первой части толщины» включает в себя изменение направления на 90±45 градусов, предпочтительно 90±30 градусов. Также, изменение направления роста границы зерна не должно обязательно приводить к образованию острого угла между первой и второй частями толщины. Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что такое изменение направления при переходе от первой ко второй части толщины может происходить также криволинейным образом.
Было неожиданно обнаружено, что способом осаждения по настоящему изобретению может быть получена очень гладкая морфология поверхности. Резкое изменение условий роста, изменяющее предпочтительный рост и направление границ зерен, вносит вклад в образование зерен с плоским верхом и сглаживание поверхности слоя α-Al2O3. В поверхности слоя α-Al2O3 по настоящему изобретению преобладают относительно крупные плоские зерна с пониженной шероховатостью. Это можно видеть, например, на Фигурах 1b и 2b.
Однако, также было неожиданно обнаружено, что очень гладкая поверхность по настоящему изобретению получается, если рост слоя α-Al2O3 устанавливается преимущественно вдоль кристаллографического направления <0 0 1>. Эксперименты показали, что эффект сглаживания также может быть получен, если текстура (0 0 1) слабо выражена или если рост слоя α-Al2O3 на первом этапе возникает предпочтительно перпендикулярно кристаллографическим плоскостям {0 1 2} или {1 0 4} или {0 1 0}, т.е., соответственно, с волокнистой структурой (0 1 2) или (1 0 4) или (0 1 0).
Слои α-Al2O3 согласно уровню техники, обладающие толщиной примерно 8-10 мкм, без верхних слоев и без последующей обработки, демонстрируют шероховатость (Ra) от примерно 0,30 до 0,35 мкм или выше. В отличие от этого, слои α-Al2O3 согласно настоящему изобретению демонстрируют намного меньшие значения шероховатости (Ra) от примерно 0,05 до 0,2 мкм, предпочтительно, от примерно 0,05 до 0,15 мкм или менее, измеренные на слое α-Al2O3 без верхних слоев и без последующей обработки. Следовательно, шероховатость (Ra) полученных согласно изобретению покрытий будет по меньшей мере на 50-60% ниже, чем шероховатость полученных согласно уровню техники покрытий с сопоставимым составом и одинаковой толщиной. Более тонкие слои α-Al2O3 с толщиной от примерно 4 до 8 мкм, когда они получены согласно изобретению, демонстрируют даже более низкие значения шероховатости (Ra) от примерно 0,04 до примерно 0,15, предпочтительно от примерно 0,03 до примерно 0,10 мкм.
Если поверх слоя α-Al2O3 согласно настоящему изобретению осаждают верхний слой, шероховатость верхнего слоя также является очень «гладкой» (т.е. низкой), хотя измеренная шероховатость (Ra) верхнего слоя может быть чуть более высокой, чем шероховатость, измеренная непосредственно на слое α-Al2O3 в состоянии после осаждения. Однако, когда верхний слой осаждают в виде многослойной структуры из тонких подслоев, значения шероховатости могут быть почти теми же, что и значения шероховатости, измеренные непосредственно на находящемся в состоянии после осаждения слое α-Al2O3 согласно изобретению.
Плоская и гладкая морфология поверхности покрытия, полученного с помощью настоящего изобретения, является необходимым условием для привлекательного и технически выгодного внешнего вида покрытия. Покрытия согласно настоящему изобретению демонстрируют блестящую высококачественная поверхность инструмента с низкой шероховатостью поверхности, что в дополнение к оптическим эффектам позволяет более легко проводить обнаружение износа, чем у покрытий согласно уровню техники. Например, слои α-Al2O3 обычно покрывают тонким верхним слоем TiN для придания инструменту окраски от золотистой до желтой. Когда более толстые слои α-Al2O3 согласно уровню техники, составленные из зерен с гранями, покрыты тонким верхним слоем TiN, можно получить приглушенную, коричневато-желтую окраску. В отличие от этого, когда покрытие α-Al2O3 согласно настоящему изобретению покрыто тонким верхним слоем TiN, получается блестящая золотисто-желтая окраска. Этот эффект также может быть получен, когда поверх слоя α-Al2O3 осаждаются другие разновидности верхних слоев, такие как карбиды, нитриды, карбонитриды, оксикарбонитриды или борокарбонитриды одного или более из Ti, Al, Zr, V и Hf, или их сочетаний. В настоящем изобретении также было обнаружено улучшение внешнего вида и характеристик TiN, TiC, TiCN, AlN, кубического TiAlN, кубического TiAlCN или их сочетаний, осажденных на слой α-Al2O3 согласно изобретению.
Однако, - и это даже более важно, - гладкая поверхность покрытия по настоящему изобретению улучшает свойства износостойкости инструмента. Слои α-Al2O3 по настоящему изобретению демонстрируют улучшенные механические свойства, такие как повышенную износостойкость задней поверхности и стойкость к обкалыванию кромок, которые особенно применимы при прерывистом резании сталей и чугунов. Здесь гладкая топография поверхности на режущих кромках снижает тенденцию к обкалыванию кромок, особенно в первые моменты, когда инструмент входит в материал обрабатываемой детали. Осаждение кубического TiAlN или TiAlCN в качестве материала верхнего слоя значительно повышает характеристики инструмента при операциях прерывистого резания по сравнению с уровнем техники. Качество поверхности и характеристики верхних слоев из кубических TiAlN или TiAlCN могут быть дополнительно повышены путем осаждения этих слоев в виде многослойных пакетов как таковых или вместе с другими кубическими материалами, такими как TiN, или гексагональными фазами, такими как AlN или TiAlN, образованными в результате условий осаждения или колебательных реакций, или из-за процессов самоорганизации в ходе осаждения или термообработок.
Гладкая структура поверхности слоев α-Al2O3 по настоящему изобретению также облегчает последующие обработки, такие как струйная обработка, с более высокими эффектами нагартовки и равномерным качеством.
Определения
Следующие определения характеризуют термины, используемые в настоящем описании и формуле изобретения для описания настоящего изобретения.
Термин «волокнистая текстура», используемый здесь и обычно используемый применительно к получаемым осаждением из газовой фазы тонким пленкам, позволяет отличить такую ориентацию выращенных зерен от случайной ориентации. В тонких пленках и покрытиях обычно различаются три типа текстур: случайная текстура, когда зерна не обладают никакой предпочтительной ориентацией; волокнистая текстура, где зерна в покрытии ориентированы так, чтобы один комплект геометрически эквивалентных кристаллографических плоскостей {h k 1} оказывается преимущественно ориентированным параллельно подложке, при наличии вращательной степени свободы зерен вокруг оси волокон, которая расположена перпендикулярно этой плоскости и, таким образом, преимущественно ориентирована перпендикулярно подложке; и эпитаксиальное выстраивание (или текстура в плоскости, «in-plane texture») на монокристаллических подложках, где внутриплоскостное выстраивание фиксирует все три оси зерна относительно подложки. Следует подчеркнуть, что все покрытия, обсуждаемые в более ранней патентной литературе, а также здесь, демонстрируют волокнистую текстуру, а поэтому термин «текстура (h k l)» означает волокнистую текстуру с плоскостями {h k 1}, преимущественно ориентированными параллельно поверхности подложки.
Термин «рост вдоль кристаллографического направления <h k l>» означает, что кристаллы растут таким образом, чтобы их соответствующая кристаллографическая плоскость {h k 1} была ориентирована параллельно поверхности подложки, на которой эти кристаллы растут. Кристаллографическая плоскость кристалла задана индексами Миллера-Бравэ, h, k, i и l, выраженными в трехиндексовом обозначении, без индекса i [i=-(h+k)]. «Предпочтительный» рост вдоль кристаллографического направления <h k l> означает, что рост вдоль кристаллографического направления <h k l> происходит более часто, чем рост вдоль других кристаллографических направлений. Следует отметить, что терминология «рост вдоль кристаллографического направления <h k l>», относящаяся к волокнистой текстуре (h k l) с предпочтительной ориентацией плоскостей {h k 1}, параллельных подложке, подходит лишь тогда, когда направление <h k l> перпендикулярно плоскости {h k 1}. Это, как правило, не справедливо для тригонально-гексагональной кристаллической системы, к которой принадлежит α-Al2O3, однако это верно для соответствующих пар направлений и плоскостей <1 0 0> и {1 0 0}, <1 1 0> и {1 1 0}, и <0 0 1> и {0 0 1} соответственно. Предполагается, что «предпочтительный рост вдоль кристаллографического направления <h k l>» является результатом более высокой скорости осаждения вдоль этого кристаллографического направления <h k l>, чем вдоль других кристаллографических направлений, в ходе процесса CVD осаждения.
Таким образом, если зерна α-Al2O3 демонстрируют «предпочтительный рост вдоль кристаллографического направления <0 0 1>», это означает, что зерна α-Al2O3 растут своей кристаллографической плоскостью {0 0 1}, параллельной поверхности подложки, более часто, чем другими кристаллографическими плоскостями.
Под выражением «предпочтительный рост вдоль кристаллографического направления <h k l>» понимают коэффициент текстуры TC (h k l), рассчитанный с использованием формулы Харриса на основании заданного комплекта РД-отражений, измеренных на соответствующем образце. Интенсивности РД-отражений стандартизированы с использованием JCPDF-карточки, указывающей на интенсивности РД-отражений одного и того же материала, например, α-Al2O3, но со случайной ориентацией, например в порошке этого материала. Коэффициент текстуры TC (h k l) > 1 для слоя кристаллического материала - это указание на то, что зерна кристаллического материала ориентированы их кристаллографической плоскостью {h k l}, параллельной поверхности подложки, чаще, чем при случайном распределении, по меньшей мере по сравнению с РД-отражениями, используемыми в формуле Харриса для определения коэффициента текстуры TC. Коэффициент текстуры TC (0 0 12) используется здесь для обозначения предпочтительного роста кристалла вдоль кристаллографического направления <0 0 1>. В кристаллографической системе α-Al2O3 кристаллографическая плоскость {0 0 1} параллельна кристаллографическим плоскостям {0 0 6} и {0 0 12}. Вместо TC (0 0 6) используют TC (0 0 12), поскольку отражение (0 0 6) от α-Al2O3 частично перекрывается отражением от TiCN, который часто наносят в качестве слоя в системе покрытия.
Используемый здесь термин «первые условия процесса» означает условия процесса CVD, пригодные для получения слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом кристаллов вдоль первого кристаллографического направления, причем в одном варианте воплощения это кристаллографическое направление <0 0 1>. Первые условия процесса определяют общую волокнистую текстуру осажденного слоя α-Al2O3, начиная с зародышеобразования осаждаемого слоя. Используемый здесь термин «вторые условия процесса» означает условия процесса CVD, пригодные для получения слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом кристаллов по существу перпендикулярно первому кристаллографическому направлению. В варианте воплощения с первым кристаллографическим направлением <0 0 1> вторые условия процесса предпочтительно пригодны для получения слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <1 0 0>. Это означает, что «вторые условия процесса» - это такие условия, которые позволяют получить слой α-Al2O3 с предпочтительным ростом кристаллов по существу перпендикулярно первому кристаллографическому направлению, если эти «вторые условия процесса» могут быть применены для всего осаждения слоя α-Al2O3, начиная с зародышеобразования осаждаемого слоя. «Вторые условия процесса» не изменяют общую волокнистую текстуру осажденного слоя α-Al2O3 при применении после «первых условий процесса», поскольку «первые условия процесса» определяют общую волокнистую текстуру, т.е. зерна все еще предпочтительно растут своей первой кристаллографической плоскостью (например, {0 0 1}), параллельной поверхности подложки, чаще, чем другими кристаллографическими плоскостями. Однако предполагается, что при «вторых условиях процесса» скорость роста вдоль первого кристаллографического направления (например, <0 0 1>) понижается, тогда как скорость роста вдоль других кристаллографических направлений, по существу перпендикулярных первому кристаллографическому направлению (например, <0 0 1>), повышается. Не привязываясь к теории, авторы изобретения полагают, что при «вторых условиях процесса» повышается скорость осаждения оксида алюминия (корунда) в процессе CVD на грани, отличные от тех, которые предпочтительны при «первых условиях процесса».
При первых условиях процесса зерна α-Al2O3 растут столбчатым образом с их границами зерен, растущими по существу перпендикулярно поверхности подложки, на которую зерна осаждаются. В этой связи термин «по существу перпендикулярно» предполагает и включает тот факт, что осажденные указанным образом столбчатые зерна α-Al2O3 обычно претерпевают расширение в поперечном сечении в направлении от поверхности подложки к поверхности слоя корунда. Предполагается, что это расширение в поперечном сечении столбчатых зерен есть результат того, что, хотя рост предпочтительно происходит вдоль первого кристаллографического направления (такого как <0 0 1>), всегда также имеет место осаждение в определенной степени на другие грани уже осажденных зерен, по существу перпендикулярные предпочтительному направлению роста, хотя и медленнее, чем осаждение в предпочтительном направлении роста.
В результате изменения с первых на вторые условия процесса, согласно настоящему изобретению, границы некоторых зерен α-Al2O3, уже осажденных при первых условиях процесса, изменяют свое направление с «по существу перпендикулярного» поверхности подложки на направление, «по существу перпендикулярное» нормали к поверхности подложки. Следовательно, в поперечном сечении, например, наблюдаемом с помощью РЭМ, эти зерна выглядят по существу имеющими форму буквы «T» или сходную форму, при этом ясно, что на практике изменение направления границ зерен от первой ко второй части толщины не будет обычно описываться идеальным углом в 90 градусов. Поэтому термин «по существу перпендикулярно» в смысле настоящего изобретения включает в себя изменение направления, составляющее 90±45 градусов, предпочтительно, 90±30 градусов.
Следует понимать, что из-за расширения поперечного сечения зерен при изменении условий роста или направлений границ зерен соответственно и из-за ограниченного поперечного пространства между соседними зернами корунда, только часть зерен α-Al2O3 претерпевают это изменение морфологии роста и вырастает до поверхности слоя α-Al2O3, тогда как некоторые другие зерна «зарастают» расширившейся частью зерен α-Al2O3, и, таким образом, эти «заросшие» зерна либо не дорастают до внешней поверхности слоя, либо их ширина в поперечном сечении уменьшается. Это можно хорошо наблюдать, например, на РЭМ-микрофотографиях поперечных сечений соответствующих слоев.
Условия процесса CVD, которые в общем пригодны для получения слоев α-Al2O3 с предпочтительными ориентациями роста кристаллов, как определено для первых и вторых условий процесса, общеизвестны в данной области техники и описаны в научной и патентной литературе (см., например, перечисленные выше ссылки уровня техники). В настоящем описании приводятся дополнительные примеры подходящих первых и вторых условий процесса. В этой связи следует отметить, что условия процесса CVD для получения предпочтительного роста кристалла вдоль кристаллографического направления или перпендикулярно ему могут изменяться в широком диапазоне. Поэтому объем изобретения и характеристика заявленного объекта изобретения для решения изложенной проблемы не ограничиваются конкретными технологическими параметрами процесса CVD и составами реакционного газа. Скорее в основе настоящего изобретения лежит тот неожиданно обнаруженный факт, что повышенное качество поверхности, сниженная шероховатость поверхности и улучшенные механические свойства режущих пластин с покрытием достигаются способом осаждения слоя α-Al2O3 по настоящему изобретению за счет последовательности первых и вторых условий процесса, определения которых даны здесь, а именно за счет изменения условий процесса для достижения изменения в росте границы зерна. Зная настоящее изобретение и лежащий в его основе замысел, специалист в данной области техники легко найдет параметры условий процесса CVD для достижения такого специфического роста кристаллов слоя α-Al2O3, как это определено согласно настоящему изобретению. Как указано выше, условия процесса для получения соответственно предпочтительных направлений роста или волокнистых текстур α-Al2O3 были известны в данной области техники и имеются в литературе. Однако, применение конкретной последовательности первых и вторых условий процесса, определения которых даны здесь, для достижения повышенного качества поверхности, сниженная шероховатость поверхности и улучшенные механические свойства оказались неожиданными, и они никогда не были описаны ранее.
Варианты воплощения изобретения
Как было описано выше, слой α-Al2O3 по настоящему изобретению, по меньшей мере в первой части толщины, обладает предпочтительным направлением роста зерен α-Al2O3 вдоль первого кристаллографического направления, полученного при первых условиях процесса, и общая волокнистая текстура слоя α-Al2O3 определяется этими первыми условиями процесса. Следовательно, в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения по меньшей мере 70%, предпочтительно по меньшей мере 80%, более предпочтительно по меньшей мере 90%, кристаллов α-Al2O3, доходящих до внешней поверхности слоя α-Al2O3, демонстрируют грани, заканчивающиеся кристаллографическими плоскостями, перпендикулярными оси, расположенной в пределах 0-30 градусов, предпочтительно в пределах 0-20 градусов, более предпочтительно в пределах 0-10 градусов, от нормали к поверхности подложки, измеряемых посредством EBSD. В одном варианте воплощения настоящего изобретения первым кристаллографическим направлением является <0 0 1>, а упомянутые грани завершаются кристаллографическими плоскостями {0 0 1}.
В еще одном предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения внешняя поверхность слоя α-Al2O3 в состоянии после осаждения и до струйной обработки обладает следующими характеристиками шероховатости поверхности:
i) шероховатость поверхности Ra от 0,05 до 0,2 мкм, предпочтительно, от 0,05 до 0,15 мкм, когда слой α-Al2O3 обладает толщиной 8 мкм или более;
ii) шероховатость поверхности Ra от 0,03 до 0,2 мкм, предпочтительно, от 0,03 до 0,10 мкм, когда слой α-Al2O3 обладает толщиной менее 8 мкм,
при этом шероховатость поверхности измерена на слое α-Al2O3 в состоянии после осаждения без верхних слоев и без последующей обработки.
В одном варианте воплощения настоящего изобретения слой α-Al2O3 обладает предпочтительным направлением роста вдоль кристаллографического направления <0 0 1>. В другом варианте воплощения слой α-Al2O3 обладает предпочтительным направлением роста, перпендикулярным кристаллографической плоскости {0 1 2}. В еще одном варианте воплощения слой α-Al2O3 обладает предпочтительным направлением роста, перпендикулярным кристаллографической плоскости {1 0 4}. В еще одном варианте воплощения слой α-Al2O3 обладает предпочтительным направлением роста, перпендикулярным кристаллографической плоскости {0 1 0}.
В еще одном предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения общая волокнистая текстура всего слоя α-Al2O3 характеризуется коэффициентом текстуры TC (0 0 12) > 3, причем TC (0 0 12) определяется следующим образом:
,
где
(h k l) - измеренная интенсивность отражения (hkl)
I0 (h k l) - стандартная интенсивность стандартных данных порошковой дифракции согласно JCPDF-карточке № 42-1468
n - число отражений, используемое в расчете, при этом используемыми отражениями (hkl) являются: (0 1 2), (1 0 4), (1 1 0), (1 1 3), (1 1 6), (3 0 0) и (0 0 12).
Способ измерения коэффициента текстуры TC описан ниже.
Хотя слой корунда по настоящему изобретению может быть самым верхним слоем всего покрытия, является предпочтительным, по меньшей мере частично, обеспечить верхний слой покрытия поверх слоя α-Al2O3. Поэтому, в еще одном предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения покрытие содержит верхний слой с толщиной от 0,05 до 3 мкм, предпочтительно, от 0,2 до 2 мкм, более предпочтительно, от 0,5 до 1,5 мкм, предпочтительно, осажденный методом CVD или PVD поверх слоя α-Al2O3, причем верхний слой содержит один или более слоев, выбранных из группы, состоящей из TiN, TiC, TiCN, ZrN, ZrCN, HfN, HfCN, VC, TiAlN, TiAlCN, AlN или их сочетаний, или их многослойных пакетов.
Верхний слой покрытия поверх слоя α-Al2O3 может быть обеспечен в качестве индикатора износа и/или в качестве слоя с другими функциями. Для выявления износа покрытие должно предпочтительно завершаться окрашенным материалом покрытия, таким как TiN, TiCN, AlN или CrN, или металлами, такими как Ti, Al или Cr. Окраски, такие как синий, зеленый, фиолетовый или металлический цвет, также могут быть получены путем окисления или анодного окисления вышеупомянутых покрытий. Методы получения окрашенных покрытий путем окисления или анодного окисления известны и описаны в литературе.
Настоящее изобретение включает в себя также те варианты воплощения, где только части площадей поверхности режущей пластины, предпочтительно, передняя поверхность режущей пластины, содержат слой α-Al2O3 в качестве самого внешнего слоя, тогда как остальные участки поверхности покрыты верхним слоем покрытия в качестве самого внешнего слоя. Эти варианты воплощения могут быть получены удалением осажденного верхнего слоя покрытия путем струйной обработки или любым другим хорошо известным способом из тех областей, где слой α-Al2O3 должен быть самым внешним слоем. Преимущество этого варианта воплощения состоит в том, что для удаления самого внешнего слоя может быть использовано относительно низкое давление струйной обработки и/или мягкий материал для струйной обработки, поскольку граница раздела между самой внешней поверхностью α-Al2O3 и самым внешним слоем является относительно гладкой. Струйная обработка для удаления самого внешнего слоя с обычно шероховатого слоя α-Al2O3 может быть несколько проблематичной и требующей относительно высоких давлений струйной обработки и/или агрессивного материала для струйной обработки для того, чтобы удалить самый внешний слой также и во впадинах слоя α-Al2O3. Режущие инструменты с покрытием согласно этому варианту воплощения могут быть таким образом получены при высоком контроле удаления самого внешнего слоя.
В еще одном предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения покрытие содержит один или более огнеупорных слоев на подложке и под слоем α-Al2O3, причем эти один или более огнеупорных слоев выбран(ы) из группы, состоящей из карбида, нитрида, карбонитрида, оксикарбонитрида и борокарбонитрида одного или более металлов, выбранных из группы, состоящей из Ti, Al, Zr, V и Hf, или их сочетаний, осажденных методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) или химического осаждения из газовой фазы при умеренных температурах (MT-CVD), и каждый огнеупорный слой обладает толщиной от 0,5 до 20 мкм, предпочтительно, от 1 до 10 мкм.
В еще одном предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения первый огнеупорный слой, лежащий непосредственно поверх и в контакте с поверхностью подложки, выбран из группы, состоящей из карбида, нитрида, карбонитрида, оксикарбонитрида, оксинитрида и борокарбонитрида одного или более металлов, выбранных из группы, состоящей из Ti, Al, Zr, V, Hf или их сочетаний или многослойных пакетов, предпочтительно, Ti(C, N), TiN, TiC, Ti(B, C, N), HfN, Zr(C, N) или их сочетаний или их многослойных пакетов. Более предпочтительно, первый огнеупорный слой, прилегающий к поверхности подложки, состоит из или содержит Ti(C, N). Первый огнеупорный слой осаждают методом CVD или MT-CVD, и предпочтительно, первый огнеупорный слой обладает толщиной от 0,5 до 20 мкм, более предпочтительно от 1 до 10 мкм. Было обнаружено, что этот тип первого огнеупорного слоя в сочетании с типом слоя α-Al2O3 по изобретению обеспечивает хорошую общую износостойкость.
Особо подходящий первый огнеупорный слой содержит или состоит из оксидов, нитридов, карбонитридов или оксикарбонитридов Ti и/или Al в качестве одиночных слоев или многослойных пакетов, таких как TiN, Ti(C, N), гексагональный AlN, кубический или гексагональный TiAlN, TiAlON, TiAlCN, TiAlOCN, метастабильные или стабильные фазы Al2O3 или их сочетания, причем предпочтителен кубический Ti1-xAlxN или Ti1-xAlxCyNz с x>0,7, осажденный посредством химического осаждения из газовой фазы при низком давлении и умеренной температуре (low-pressure moderate temperature chemical vapour deposition, LP-MT-CVD). Кубический Ti1-xAlxN или Ti1-xAlxCyNz может быть соосажден вместе со слоями гексагонального AlN, TiAlN или TiAlCN. Слои гексагональной фазы должны быть очень тонкими по сравнению с кубическими слоями, предпочтительно менее примерно 50 нм, более предпочтительно, менее 20 нм. LP-MT-CVD-слои осаждают при температуре 600-850°C, предпочтительно, 650-750°C и при давлении в диапазоне 2-50 мбар, предпочтительно, менее 10 мбар.
Также является особо предпочтительным, чтобы первый огнеупорный слой содержал, в качестве самого нижнего слоя в непосредственном контакте с подложкой, состоящий из TiN слой, осажденный с использованием CVD или MT-CVD или LP-MT-CVD и обладающий толщиной менее 5 мкм, предпочтительно, от 0,3 до 3 мкм, более предпочтительно, от 0,5 до 2 мкм. Было обнаружено, что обеспечение этого типа самого нижнего слоя в непосредственном контакте с поверхностью подложки повышает адгезию первого огнеупорного слоя, а значит, и адгезию слоя α-Al2O3 по настоящему изобретению.
В еще одном предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения огнеупорный слой, находящийся непосредственно под и в контакте со слоем α-Al2O3, состоит из кубического (Ti, Al)N, кубического (Ti, Al)(C, N) или из многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев кубического (Ti, Al)N или кубического (Ti, Al)(C, N) и одного или более огнеупорных слоев, состоящих из карбида, нитрида, карбонитрида, оксикарбонитрида или борокарбонитрида одного или более из Ti, Zr, V и Hf или их сочетаний.
Подложка режущей пластины по настоящему изобретению состоит из цементированного карбида, кермета, керамики, стали или кубического нитрида бора. Однако, в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения подложка состоит из цементированного карбида, предпочтительно, цементированного карбида, состоящего из 4-12 мас.% Co, необязательно 0,3-10 мас.% кубических карбидов, нитридов или карбонитридов металлов из групп IVb, Vb и VIb Периодической таблицы, предпочтительно, Ti, Nb, Ta или их сочетаний, а остальное WC. Для применений при станочной обработке стали подложка из цементированного карбида предпочтительно содержит 7,0-9,0 мас.% кубических карбидов, а для применений при станочной обработке чугуна подложка из цементированного карбида предпочтительно содержит 0,3-3,0 мас.% кубических карбидов, как определено выше.
В другом предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения подложка, состоящая из цементированного карбида, содержит обогащенную связующей фазой поверхностную зону с толщиной 5-30 мкм, предпочтительно 10-25 мкм, от поверхности подложки, причем обогащенная связующей фазой поверхностная зона обладает содержанием Co, которое в по меньшей мере 1,5 раза выше, чем в сердцевине подложки, и обладает содержанием кубических карбидов, которое составляет менее чем 0,5 от содержания кубических карбидов в сердцевине подложки. Толщина слоя α-Al2O3 в этом варианте воплощения предпочтительно составляет примерно 4-12 мкм, наиболее предпочтительно, 4-8 мкм.
Предпочтительно, обогащенная связующей фазой поверхностная зона подложки из цементированного карбида по существу свободна от кубических карбидов. Обеспечение обогащенной связующей фазой поверхностной зоны повышает вязкость разрушения подложки и расширяет диапазон применения режущего инструмента с покрытием. Подложки, имеющие обогащенную связующей фазой поверхностную зону, являются особо предпочтительными для режущих пластин для операций обработки металлов резанием в случае стали, тогда как режущие пластины для операций обработки металлов резанием в случае чугуна предпочтительно получают без обогащенной связующей фазой поверхностной зоны.
В одном варианте воплощения способа по настоящему изобретению осаждение слоя α-Al2O3 при первых условиях процесса для осаждения слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления <0 0 1> можно предпочтительно осуществлять в течение периода времени от 1 до 20 часов, предпочтительнее от 2 до 12 часов, более предпочтительно от 3 до 7 часов, а осаждение слоя α-Al2O3 при вторых условиях процесса, применимых для осаждения слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом кристаллов по существу перпендикулярно кристаллографическому направлению <0 0 1>, предпочтительно, вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <1 0 0>, можно предпочтительно осуществлять в течение периода времени от 5 мин до 3 часов, предпочтительнее от 10 мин до 2 часов, более предпочтительно от 15 мин до 1 часа.
Выраженное в пересчете на толщины слоев, осаждение слоя α-Al2O3 при первых условиях процесса предпочтительно осуществляют для осаждения слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления <0 0 1> до толщины от примерно 2 мкм до примерно 45 мкм, предпочтительно от примерно 3 мкм до примерно 15 мкм, более предпочтительно от примерно 5 мкм до примерно 12 мкм, а осаждение слоя α-Al2O3 при вторых условиях процесса предпочтительно осуществляют до толщины, которая составляет примерно 5-30% от толщины слоя α-Al2O3, осажденного при первых условиях процесса. В компетенцию специалистов в данной области техники входит определение того, какие толщины покрытия, получаемые на различных этапах осаждения, дадут наилучшие результаты.
Осаждение слоя α-Al2O3 при первых условиях процесса для осаждения слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом кристаллов вдоль первого кристаллографического направления (например, кристаллографического направления <0 0 1>) дает зерна α-Al2O3, которые завершаются гранями с относительно большим углом относительно поверхности подложки, что приводит к шероховатой морфологии поверхности, до тех пор, пока не был нанесен слой α-Al2O3 при вторых условиях процесса.
В предпочтительном варианте воплощения способа по настоящему изобретению первые условия процесса в реакционной камере CVD для осаждения слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления <0 0 1> включают в себя
давление в диапазоне от 10 до 100 мбар, предпочтительно от 30 до 80 мбар,
температуру в диапазоне от 800°C до 1050°C, предпочтительно от 930°C до 1030°C
и концентрации реакционноспособных газов в диапазонах
от 2% до 7,5%, предпочтительно, от 3% до 5% CO2,
от 0,5% до 5%, предпочтительно, от 1,5% до 4% HCl,
от 0,5% до 5%, предпочтительно, от 1,8% до 4% AlCl3 и
от 0,2% до 1,1%, предпочтительно, от 0,3% до 0,6% X, а
вторые условия процесса в реакционной камере CVD, применимые для осаждения слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом кристаллов по существу перпендикулярно кристаллографическому направлению <0 0 1>, предпочтительно, вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <1 0 0>, включают в себя
давление в диапазоне от 100 до 300 мбар, предпочтительно, от 150 до 250 мбар,
температуру в диапазоне от 800°C до 1050°C, предпочтительно от 930°C до 1030°C
и концентрации реакционноспособных газов в диапазонах
более 5% CO2,
от 5% до 25%, предпочтительно, от 5% до 12% HCl,
от 0,5% до 3%, предпочтительно, от 1,0% до 1,8% AlCl3 и
менее 0,35%, предпочтительно, менее 0,25% X.
В дополнение к контролю за давлением осаждения и потоками CO2, AlCl3 и X, рост зерен α-Al2O3 во второй части толщины с границами зерен, по существу перпендикулярными границам зерен в первой части толщины, может быть усилен за счет добавления относительно высоких количеств HCl. HCl, как известно, подавляет рост вдоль кристаллографического направления <0 0 1>. Для достижения этого эффекта количество добавляемого HCl должно составлять от примерно 5 об.% до примерно 25 об.%, предпочтительно от примерно 5 об.% до примерно 12 об.%. Используя этот диапазон потока HCl, вторыми условиями процесса, применимыми для осаждения α-Al2O3 с предпочтительным ростом вдоль кристаллографического направления <1 0 0>, можно управлять путем осаждения слоя при давлении более 200 мбар, предпочтительно, от 250 мбар до 300 мбар, и вторые условия процесса, применимые для осаждения α-Al2O3 с предпочтительным ростом вдоль кристаллографического направления <1 1 0>, достигаются при давлениях от 100 до 200 мбар, предпочтительно, от 150 до 200 мбар.
В еще одном предпочтительном варианте воплощения способа по настоящему изобретению, в первых условиях процесса и/или во вторых условиях процесса в реакционной камере CVD для осаждения слоя α-Al2O3 компонент X представляет собой сочетание H2S и SF6. Данное сочетание H2S и SF6 является особо пригодным для достижения роста кристаллов вдоль кристаллографического направления <1 1 0> или <1 0 0> слоя α-Al2O3 при вторых условиях роста. В этом случае объемная доля SF6 предпочтительно не превышает 15% от объемного количества H2S.
Для получения роста кристаллов вдоль кристаллографического направления <0 0 1> слоя α-Al2O3 при первых условиях роста, X предпочтительно представляет собой либо H2S, либо SF6, либо их сочетание. Если H2S используется в сочетании с SF6, объемное количество SF6 должно предпочтительно составлять примерно 25-50% от объемного количества H2S для получения желаемого эффекта.
В еще одном предпочтительном варианте воплощения способа по настоящему изобретению первые условия процесса и/или вторые условия процесса в реакционной камере CVD для осаждения слоя α-Al2O3 содержат добавление N2, Ar, CO или их сочетаний, при этом сумма объемных долей N2, Ar и CO не превышает 20% от общего объемного количества H2 в реакционной газовой смеси. При добавлении N2, Ar и/или CO возможно модифицировать скорость роста и отклонения толщины покрытия по всему CVD-реактору. В компетенцию специалистов в данной области техники входит регулирование этих добавок к реакционноспособному газу для достижения желаемых профилей скорости роста.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Фиг. 1 показывает РЭМ-микрофотографии поперечных сечений слоев α-Al2O3 согласно
a) уровню техники (пример 1),
b) настоящему изобретению (пример 2);
Фиг. 2 показывает РЭМ-микрофотографии топографий поверхностей слоев α-Al2O3 согласно Фигуре 1 a) и 1 b), соответственно, согласно
a) уровню техники (пример 1),
b) настоящему изобретению (пример 2);
Фиг. 3 показывает РЭМ-микрофотографии поперечных сечений слоев α-Al2O3 согласно настоящему изобретению с многослойным верхним слоем, состоящим из чередующихся подслоев TiN и TiCN, осажденных на подложку из цементированного карбида режущей пластины, при этом a) - поперечное сечение режущей кромки, а b) - поперечное сечение передней поверхности (пример 3, покрытие 3.2).
Фиг. 4 показывает РЭМ-микрофотографию поперечного сечения слоя α-Al2O3 согласно уровню техники с многослойным верхним слоем, состоящим из чередующихся подслоев TiN и TiCN, осажденных на подложку из цементированного карбида режущей пластины (пример 3, покрытие 3.1).
На Фигурах 1 b), 3 a) и 3 b) в верхних частях слоев α-Al2O3 четко видны изменения направления границ зерен, соответствующие резким изменениям в режиме роста от осуществления осаждения при первых условиях процесса к осуществлению осаждения при вторых условиях процесса согласно настоящему изобретению.
МЕТОДЫ
Измерения рентгеновской дифракции (РД) и определение TC
Измерения рентгеновской дифракции были сделаны на дифрактометре XRD3003PTS от компании «GE Sensing and Inspection Technologies» с использованием излучения Cu Kα. Рентгеновская трубка работала при 40 кВ и 40 мА, при фокусировании в точку. На первичной стороне использовалась оптика параллельного пучка с использованием многокапиллярной коллимационной линзы с измерительным отверстием фиксированного размера, за счет чего выбиралась облученная область образца во избежание выхода рентгеновских лучей за пределы покрытой грани образца. На вторичной стороне была использована щель Соллера с отклонением 0,4° и Ni Kp-фильтр толщиной 0,25 мм. Были проведены Θ-2Θ сканирования в пределах диапазона углов 20° < 2Θ < 100° с шагом 0,25°. Измерения были сделаны на плоской грани режущего инструмента с покрытием, предпочтительно, на задней грани. Измерения проделали непосредственно на слое корунда как самом внешнем слое. Любой слой, имеющийся в покрытии выше измеряемого слоя корунда, если он есть, удаляют способом, который практически не влияет на результаты РД-измерений, например, травлением. Для расчета коэффициента текстуры TC использовали интенсивности высоты пиков. К исходным данным РД применены вычитание фона и параболическая подгонка пиков с пятью точками измерений. При этом никаких дополнительных поправок, таких как Kα2-обрезка или поправка на тонкую пленку, сделано не было.
Приготовление образцов для растровой электронной микроскопии (РЭМ)
Режущие пластины были разрезаны в поперечном сечении, закреплены в держателе, а затем обработаны следующим образом:
1. Шлифовка диском Struers Piano220 с водой в течение 6 мин;
2. Полировка алмазной суспензией 9 мкм MD-Largo Diamond в течение 3 мин;
3. Полировка алмазной суспензией 3 мкм MD-Dac Diamond в течение 3:40 мин;
4. Полировка алмазной суспензией 1 мкм MD-Nap Diamond в течение 2 мин;
5. Полировка/травление суспензией коллоидного кремнезема OP-S в течение 12 мин (средний размер зерна коллоидного кремнезема=0,04 мкм).
Перед РЭМ-исследованием образцы были подвергнуты ультразвуковой очистке.
CVD-покрытия
CVD-покрытия приготовили в реакторе с радиальным потоком типа Bernex BPX 325S, обладающем высотой 1250 мм и внешним диаметром 325 мм. Потоки газа, несущие NH3 и хлориды металлов соответственно, подавали в реактор по отдельности таким образом, чтобы смешивание происходило непосредственно перед зоной реакции. Поток газа по загрузочным лоткам был радиальным от центральной газовой трубы.
Измерения шероховатости
Измерения шероховатости были проведены согласно стандарту ISO 4287, DIN 4768. Для измерения шероховатости был использован белый свет с конической разверткой ConScan от приборов CSM.
ПРИМЕРЫ
Подложки для испытательных режущих пластин в приведенных здесь примерах представляли собой режущие пластины из цементированного карбида, состоящие из 6,0 мас.% Co и остальное WC с обогащенной связующей фазой поверхностной зоной. Измеренная твердость по Виккерсу подложек составляла примерно 1600 HV. Были использованы следующие геометрии режущих пластин:
CNMA120412 (особенно для РЭМ и измерений шероховатости) и
WNMG080412-NM4 (для испытаний на резание).
Предварительное нанесение покрытия:
Подложки для осаждения покрытия α-Al2O3 согласно приведенным здесь примерам были предварительно покрыты следующими способами.
Для обеспечения хорошей адгезии покрытий к подложке во всех процедурах нанесения покрытия процесс начинали с нанесения слоя TiN толщиной 0,3 мкм на поверхность подложки методом CVD при температуре 850°C и давлении 150 мбар. Состав реакционного газа был таким: 0,8 об.% TiCl4, 44,1 об.% N2, 55,1 об.% H2.
Режущие пластины, предварительно покрытые TiN, покрывали слоем Ti(C,N) толщиной 5 мкм методом MT-CVD с использованием реакционного газа состава 0,7 об.% CH3CN, 1,9 об.% TiCl4, 20 об.% N2 и остальное H2 при температуре 850-880°C.
После того, как процесс MT-CVD был завершен, температуру повышали до 1000°C и при этой температуре осаждали другой, богатый N слой TiCN методом CVD в течение 20 мин с использованием реакционного газа состава 2,5 об.% TiCl4, 3,5 об.% CH4, 30 об.% N2 и остальное H2 при давлении 400-500 мбар на MT-CVD-слой до толщины приблизительно 0,3 мкм.
Затем, поверх MT-CVD-слоя TiCN осаждали связующий слой (Ti, Al)(C, N, O) толщиной примерно 0,5-1 мкм с использованием реакционного газа состава 3 об.% TiCl4, 0,5 об.% AlCl3, 4,5 об.% CO, 30 об.% N2 и остальное H2 в течение примерно 30 мин при температуре примерно 1000°C и давлении 80 мбар. За процессом осаждения следовала продувка с использованием H2 в течение 10 мин перед началом следующего этапа.
Перед осаждением слоя α-Al2O3 осуществляли этап формирования центров кристаллизации (окисления) путем обработки связующего слоя (Ti, Al)(C, N, O) газовой смесью 4 об.% CO2, 9 об.% CO, 25 об.% N2 и остальное H2 в течение 2-10 мин, при температуре примерно 1000-1020°C и при давлении примерно 80-100 мбар. За этапом формирования центров кристаллизации следовала продувка с использованием Ar в течение 10 мин.
Пример 1: Слой корунда согласно уровню техники (Покрытие 1 - сравнительный пример)
Осаждение корунда на предварительно покрытые подложки, как описано выше, начинали с введения реакционной газовой смеси 2,5 об.% AlCl3, 4.1 об.% CO2 и остальное H2 при температуре 1000°C и давлении 66 мбар. Компоненты реакционного газа вводили одновременно. По истечении 2 мин добавляли HCl в количестве 2,5 об.% к реакционной газовой смеси, текущей в реактор. По истечении еще 8 мин добавляли H2S в количестве 0,33 об.% к реакционной газовой смеси, текущей в реактор.
Условия осаждения поддерживали в течение примерно 8 часов, получив слой α-Al2O3 толщиной примерно 8 мкм. При внешнем осмотре слой α-Al2O3 казался темным и блеклым. Покрытие было проанализировано путем измерения шероховатости, испытаний на резание, РЭМ и РД.
Пример 2: Слой корунда согласно настоящему изобретению (Покрытие 2)
Осаждение корунда на предварительно покрытые подложки осуществляли так, как описано выше для примера 1, за исключением того, что время осаждения слоя α-Al2O3 составляло 6,5 часов вместо 8 часов. По истечении 6,5 часов времени осаждения параметры процесса изменили на «вторые условия процесса», которые известны как способствующие предпочтительному росту кристаллов вдоль кристаллографического направления <1 1 0> слоя α-Al2O3. При «вторых условиях процесса» состав реакционной газовой смеси был таким: 1,5 об.% AlCl3, 5,7 об.% CO2, 7,5 об.% HCl, 0,05 об.% H2S и остальное H2. Температуру поддерживали на 1000°C, но давление изменили на 150 мбар. Время осаждения при «вторых условиях процесса» составляло 1,5 часа, а общая толщина полученного таким образом слоя α-Al2O3 составляла 8 мкм, как в примере 1. При внешнем осмотре слой α-Al2O3 казался темным, но блестящим. Покрытие было проанализировано путем измерения шероховатости, испытаний на резание, РЭМ и РД.
Покрытия α-Al2O3 из примеров 1 и 2 проанализировали методом РЭМ. Микрофотографии поперечного сечения показаны на Фиг. 1, а микрофотографии топографии поверхности показаны на Фиг. 2. Фиг. 1 a) и 2 a) демонстрируют покрытие 1 согласно примеру 1 (сравнительному примеру), а Фиг. 1 b) и 2 b) демонстрируют покрытие 2 согласно примеру 2 (изобретение). Из изображений поперечных сечений по Фиг. 1 a) и 1 b), а также из изображений топографии поверхности по Фиг. 2 a) и 2 b) можно четко видеть, что поверхность покрытия α-Al2O3 согласно изобретению является намного более гладкой из-за резкого изменения направлений роста границ зерен по сравнению с поверхностью покрытия α-Al2O3, приготовленного согласно уровню техники. Покрытие согласно примеру 1 показало столбчатую структуру зерен слоя α-Al2O3. Покрытие согласно примеру 2 показало первую часть толщины со столбчатыми зернами и вторую часть толщины, где на переходе от первой части толщины ко второй части толщины некоторые из границ зерен претерпевают изменение направления по отношению к направлению границ зерен в первой части толщины. В покрытии согласно примеру 1 (уровень техники) такого изменения направления не обнаружено.
Пример 3: Верхний слой 1
Процессы согласно примерам 1 и 2 повторили, но дополнительно поверх слоев α-Al2O3 осаждали верхний слой покрытия. Верхний слой покрытия представлял собой многослойный пакет толщиной 1,1 мкм, состоявший из 5 чередующихся подслоев TiN и TiCN, завершающихся TiCN.
Образцы обозначены как покрытие 3.1 (=пример 1 согласно уровню техники плюс верхний слой) и покрытие 3.2 (= пример 2 согласно изобретению плюс верхний слой).
Покрытия α-Al2O3 3.1 и 3.2 проанализировали методом РЭМ. Микрофотографии поперечного сечения покрытия 3.2 на режущей кромке и на передней поверхности показаны соответственно на Фиг. 3 a) и 3 b). Изображения поперечных сечений по Фиг. 3 a) и 3 b) четко демонстрируют крайнюю гладкость поверхностей слоя α-Al2O3, а также верхнего слоя. Микрофотография поперечного сечения покрытия 3.1 согласно уровню техники, показанная на Фиг. 4, четко показывает значительно более шероховатую поверхность из-за иного фасетирования зерен α-Al2O3.
Пример 4: Верхний слой 2
Процессы согласно примерам 1 и 2 повторили, но дополнительно поверх слоев α-Al2O3 осаждали другой верхний слой покрытия, чем в примере 3. Верхний слой покрытия представлял собой слой кубического TiAlN толщиной 1,5 мкм. Реакционная газовая смесь для осаждения слоя TiAlN содержала 0,03 об.% TiCl4, 0,37 об.% AlCl3 и 54,4 об.% H2 из хлоридной линии и 0,25 об.% NH3 и 44,95 об.% H2 из аммиачной линии. Осаждение осуществляли при температуре 700°C и давлении 10 мбар в течение 40 мин.
Образцы обозначены как покрытие 4.1 (= пример 1 согласно уровню техники плюс верхний слой) и покрытие 4.2 (= пример 2 согласно изобретению плюс верхний слой).
Пример 5: Слой корунда согласно настоящему изобретению (Покрытие 5)
Осаждение корунда на предварительно покрытые подложки осуществляли так, как описано выше для примера 2, за исключением того, что время осаждения слоя α-Al2O3 при первых условиях процесса составляло 4 часа, а время осаждения при вторых условиях процесса составляло 1 час. Общая толщина полученного таким образом слоя α-Al2O3 составляла 5 мкм.
Измерения шероховатости (Ra) были выполнены на покрытиях 1, 2 и 5, а результаты среднего из 5 измерений для каждого образца были следующими:
| Покрытие № | Ra [мкм] |
| 1 (уровень техники) | 0,34 |
| 2 (изобретение) | 0,13 |
| 5 (изобретение) | 0,06 |
Пример 6: Обработка металлов резанием. Испытание 1
Покрытия 1 (уровень техники) и 2 (изобретение) испытали на предмет обкалывания кромок (отслаивания) на контактной поверхности при продольном точении чугуна без охладителя при следующих условиях:
Заготовка: цилиндрический пруток
Материал: SS0130
Тип режущей пластины: CNMA120412
Скорость резания: 380 м/мин
Подача: 0,4 мм/об
Глубина резания: 2,0 мм
Режущие пластины были осмотрены по истечении времени резания соответственно 2 минуты и 6 минуты, и результаты были следующими:
| Покрытие № | Отслаивание после 2 мин [%] | Отслаивание после 6 мин [%] |
| 1 (уровень техники) | 7 | 31 |
| 2 (изобретение) | 0 | 12 |
Эти результаты демонстрируют, что вязкость разрушения режущей кромки изделия по изобретению была значительно улучшена по сравнению с изделием согласно уровню техники.
Пример 7: Обработка металлов резанием. Испытание 2
Покрытия 3.1, 3.2, 4.1 и 4.2 согласно примерам 3 и 4 испытали на предмет износа задней поверхности при операции точения без охладителя при следующих условиях:
Заготовка: цилиндрический пруток
Материал: 56NiCrMoV7
Тип режущей пластины: WNMG080412-NM4
Скорость резания: 125 м/мин
Подача: 0,32 мм/об
Глубина резания: 2,5 мм
Режущие пластины были проверены на максимальный износ задней поверхности на режущей кромке [VBmax] по истечении 6 минут резания, и результаты были следующими:
| Покрытие № | VB max после 6 мин [мм] |
| 3.1 (уровень техники) | 0,35 |
| 3.2 (изобретение) | 0,21 |
| 4.1 (уровень техники) | 0,15 |
| 4.2 (изобретение) | 0,08 |
Пример 8: EBSD-анализ
EBSD-анализ покрытия 2 выполнили на растровом электронном микроскопе (РЭМ) Zeiss SUPRA40VP с автоэмиссионным катодом, с использованием апертуры 60 мкм и с ускоряющим напряжением 15 кВ, работающем в режиме высокого тока, с 70°-ым углом падения пучка электронов на поверхность отполированных образцов при рабочем расстоянии примерно 12 мм. Система EBSD представляла собой EDAX (цифровую камеру), а для сбора и анализа данных были использованы пакеты прикладных программ TSL OIM Data Collection 6 и TSL OIM Analysis 6.2 соответственно.
Режущая пластина с геометрией WNMG0804012-NM4, покрытая покрытием 2, была подвергнута EBSD-измерению в состоянии после нанесения покрытия, т.е. без какой-либо полировки или другой подготовки поверхности, на плоскостной части передней поверхности. На захваченном камерой изображении выполнили биннинг 4×4 и вычитание фона. Время выдержки соответствовало 30 кадрам в секунду. Размер карты составлял 60×60 мкм, с размером шага 0,15 мкм и гексагональной сеткой измерительных точек. Индексирование рентгенограммы выполняли путем преобразования Хафа. 185031 экспериментальных точек, записанных указанных образом, были проиндексированы со средним показателем достоверности (CI) 0,27. Доля точек с CI>0,1 составляла 76,7%, доля точек с CI>0,3 составляла 44,6%. CI рассчитывался с помощью программы TSL OIM Analysis 6.2 в ходе автоматизированного индексирования рентгенограммы. Для данной рентгенограммы можно найти несколько возможных ориентаций, которые удовлетворяют полосам дифракции, выявленным подпрограммами анализа изображений. Программа сортирует эти ориентации (или решения) с использованием схемы голосования. Показатель достоверности основан на схеме голосования и задан как CI=(V1-V2)/VIDEAL, где V1 и V2 - число голосов за первое и второе решения, а VIDEAL - общее возможное число голосов от выявленных полос. Показатель достоверности находится в диапазоне от 0 до 1. Хотя существуют случаи, когда рентгенограмма еще может быть правильно проиндексирована даже при показателе достоверности 0, CI можно рассматривать как статистическую меру качества рентгенограммы, которая сильно зависит от шероховатости поверхности. Образцы с шероховатыми поверхностями следует отполировать до крайне низкой шероховатости, чтобы получить удовлетворительное качество рентгенограммы и индексации для EBSD. Значение CI более 0,3 соответствует точности 99% автоматизированного индексирования рентгенограмм, причем основные рентгенограммы, проиндексированные с CI>0,1, рассматриваются как корректные. Для правильного индексирования, т.е. для получения EBSD-карт со средним CI более 0,1, необходима продолжительная полировка абразивными/травильными агентами с размером зерна обычно 0,05 мкм, то есть до значений Ra намного ниже 0,05 мкм [M. M. Nowell et al., Microscopy Today 2005, 44-48].
По качеству изображения и рентгенограммы, полученному на покрытии 2 в состоянии после осаждения, можно сделать вывод о том, что большая доля, >75% площади поверхности, состоит из зерен с плоскими кристаллическими гранями, почти параллельными поверхности образца, а также поверхности подложки. Напротив, никаких EBSD-изображений достаточного качества с поверхностного покрытия 1 согласно уровню техники в состоянии после осаждения не удалось получить, поскольку в морфологии поверхности преобладают зерна с гранями, пересекающимися при более высоких углах, дающие профиль глубины межзеренных пустот порядка 1 мкм. EBSD-карта покрытия 1 была проиндексирована со средним CI лишь 0,04.
1. Режущая пластина с покрытием, содержащим износостойкий слой α-Al2O3, состоящая из подложки и осажденного на нее покрытия, состоящего из одного или более слоев, включающих износостойкий слой α-Al2O3, осажденный методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), отличающаяся тем, что упомянутое покрытие имеет общую толщину максимум 60 мкм, упомянутый износостойкий слой α-Al2O3 имеет толщину 1-45 мкм, причем на микрофотографии, полученной растровой электронной микроскопией (РЭМ), поперечного сечения слоя α-Al2O3 он содержит по меньшей мере две части, включающие часть с первой толщиной и часть со второй толщиной непосредственно поверх части с первой толщиной, причем часть с первой толщиной имеет столбчатую структуру зерен α-Al2O3, а на переходе от части первой толщины к части второй толщины границы зерен по меньшей мере 1 из 25 соседних зерен α-Al2O3 имеют измененное направление, которое перпендикулярно границам зерен в части с первой толщиной и составляет 90±45 градусов.
2. Режущая пластина по п. 1, у которой слой α-Al2O3 по меньшей мере в части с первой толщиной имеет предпочтительное направление роста зерен α-Al2O3 вдоль кристаллографического направления <001> или перпендикулярно кристаллографической плоскости {012}, или {104}, или {010}.
3. Режущая пластина по п. 1, у которой по меньшей мере 70%, предпочтительно по меньшей мере 80%, более предпочтительно по меньшей мере 90%, кристаллов α-Al2O3, доходящих до внешней поверхности слоя α-Al2O3, завершаются гранями, перпендикулярными оси, расположенной в пределах 0-35 градусов, предпочтительно в пределах 0-20 градусов, более предпочтительно в пределах 0-10 градусов, от нормали к поверхности подложки, причем предпочтительно эти грани, завершающие кристаллы α-Al2O3, представляют собой кристаллографические плоскости {001}.
4. Режущая пластина по п. 1, у которой внешняя поверхность слоя α-Al2O3 имеет следующие характеристики шероховатости поверхности:
i) при толщине слоя α-Al2O3 8 мкм или более шероховатость поверхности Ra составляет величину от 0,05 до 0,2 мкм, предпочтительно от 0,05 до 0,15 мкм,
ii) при толщине слоя α-Al2O3 менее 8 мкм шероховатость поверхности Ra составляет величину от 0,03 до 0,2 мкм, предпочтительно от 0,03 до 0,10 мкм,
причем упомянутая шероховатость поверхности измерена на слое α-Al2O3 после осаждения, без верхних слоев и без последующей обработки.
5. Режущая пластина по п. 1, у которой общая волокнистая текстура всего слоя α-Al2O3 характеризуется коэффициентом текстуры ТС (0012)>3, причем ТС (0012) задан следующим образом:
,
где (hkl) - измеренная интенсивность отражения (hkl),
I0 (hkl) - стандартная интенсивность стандартных данных порошковой дифракции согласно JCPDF-карточке 42-1468,
n - число отражений, используемое в расчете, при этом используемыми отражениями (hkl) являются: (012), (104), (110), (113), (116), (300) и (0012).
6. Режущая пластина по любому из пп. 1-5, у которой покрытие дополнительно содержит верхний слой толщиной от 0,05 до 3 мкм, предпочтительно от 0,2 до 2 мкм, более предпочтительно от 0,5 до 1,5 мкм, предпочтительно осажденный методом CVD или PVD, поверх слоя α-Al2O3, причем верхний слой содержит один или более слоев, выбранных из группы, состоящей из TiN, TiC, TiCN, ZrN, ZrCN, HfN, HfCN, VC, TiAlN, TiAlCN и AlN, или их многослойные пакеты, и/или при этом покрытие содержит один или более предварительно нанесенных тугоплавких слоев на подложке и под слоем α-Al2O3, причем упомянутые один или более тугоплавких слоев состоят из карбида, нитрида, карбонитрида, оксикарбонитрида или борокарбонитрида одного или более металлов, выбранных из группы, состоящей из Ti, Al, Zr, V и Hf или их сочетаний, осажденных методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) или среднетемпературного химического осаждения из газовой фазы (MTCVD), при этом каждый упомянутый тугоплавкий слой имеет толщину от 0,5 до 20 мкм, предпочтительно от 1 до 10 мкм, и/или при этом первый тугоплавкий слой, расположенный непосредственно поверх и в контакте с поверхностью подложки, выбран из группы, состоящей из Ti(С,N), TiN, TiС, Ti(В,С,N), HfN и Zr(C,N) или их сочетаний, предпочтительно первый тугоплавкий слой, прилегающий к поверхности подложки, состоит из Ti(С,N), и/или при этом тугоплавкий слой, находящийся непосредственно под и в контакте со слоем α-Al2O3, состоит из кубического (Ti,Al)N, кубического (Ti,Al)(C,N) или из многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев кубического (Ti,Al)N или кубического (Ti,Al)(С,N) и одного или более тугоплавких слоев, состоящих из карбида, нитрида, карбонитрида, оксикарбонитрида или борокарбонитрида одного или более из Ti, Zr, V и Hf или их сочетаний.
7. Режущая пластина по любому из пп. 1-5, у которой подложка состоит из цементированного карбида, предпочтительно из цементированного карбида, состоящего из 4-12 мас.% Со, необязательно 0,3-10 мас.% кубических карбидов, нитридов или карбонитридов металлов из групп IVb, Vb и VIb Периодической таблицы, предпочтительно Ti, Nb, Та или их сочетаний, а остальное - WC.
8. Режущая пластина по любому из пп. 1-5, у которой подложка, состоящая из цементированного карбида, содержит обогащенную связующей фазой поверхностную зону с толщиной 5-30 мкм, предпочтительно 10-25 мкм, от поверхности подложки, причем обогащенная связующей фазой поверхностная зона обладает содержанием Со, которое по меньшей мере в 1,5 раза больше, чем в сердцевине подложки, и обладает содержанием кубических карбидов, которое составляет менее чем 0,5 от содержания кубических карбидов в сердцевине подложки.
9. Режущая пластина по п. 1, у которой подложка выполнена из цементированного карбида, кермета, керамики, стали или кубического нитрида бора.
10. Режущая пластина по п. 1, у которой в износостойком слое α-Al2O3 на переходе от части первой толщины к части второй толщины границы зерен предпочтительно по меньшей мере 5 из 25 соседних зерен, более предпочтительно по меньшей мере 15 из 25 соседних зерен α-Al2O3, имеют измененное направление, которое по существу перпендикулярно границам зерен в первой части толщины и составляет 90±30 градусов.
11. Способ изготовления режущей пластины с покрытием, содержащим износостойкий слой α-Al2O3, включающий нанесение на подложку покрытия, состоящего из одного или более слоев, включающих износостойкий слой α-Al2O3, осажденный методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) из реакционной газовой смеси, отличающийся тем, что упомянутое покрытие наносят с общей толщиной максимум 60 мкм, упомянутый износостойкий слой α-Al2O3 имеет толщину 1-45 мкм, при этом слой α-Al2O3 осаждают по меньшей мере этапами осуществления осаждения части с первой толщиной слоя α-Al2O3 при первых условиях для осаждения слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом вдоль первого кристаллографического направления и изменения условий осаждения для осуществления осаждения части со второй толщиной слоя α-Al2O3 при вторых условиях для осаждения слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом вдоль второго кристаллографического направления, перпендикулярного упомянутому выше первому кристаллографическому направлению и составляющего 90±45°, при этом осаждение при вторых условиях завершает процесс осаждения слоя α-Al2O3, при этом осаждение части с первой толщиной слоя α-Al2O3 в реакционной камере CVD при первых условиях проводят при давлении в диапазоне от 10 до 100 мбар, температуре в диапазоне от 800°С до 1050°С в течение времени от 1 до 20 ч при концентрации реакционных газов в диапазонах от 2% до 7,5% CO2, от 0,5% до 5% HCl, от 0,5% до 5% AlCl3 и от 0,2% до 1,1% X, а осаждение упомянутой части со второй толщиной слоя α-Al2O3 в реакционной камере CVD при вторых условиях проводят при давлении в диапазоне от 100 до 300 мбар, температуре в диапазоне от 800°С до 1050°С в течение времени от 5 мин до 3 ч при концентрации реакционных газов в диапазонах более 5% CO2, от 5% до 25% HCl, от 0,5% до 3% AlCl3 и менее 0,35% X, при этом X выбран из группы, состоящей из H2S, SF6 и SO2 или их сочетаний.
12. Способ по п. 11, в котором части упомянутого слоя α-Al2O3 осаждают методом химического газофазного осаждения (CVD) из реакционной газовой смеси, содержащей H2, CO2, AlCl3, HCl и X, при этом X выбран из группы, состоящей из H2S, SF6 и SO2 или их сочетаний, а реакционная газовая смесь дополнительно необязательно содержит добавки N2, Ar, СО или их сочетаний, при этом упомянутое осаждение части с первой толщиной слоя α-Al2O3 при упомянутых первых условиях осуществляют с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления <001>, а упомянутое осаждение части со второй толщиной слоя α-Al2O3 при упомянутых вторых условиях осуществляют с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления, по существу перпендикулярного кристаллографическому направлению <001>, предпочтительно вдоль кристаллографического направления <110> или <100>, при этом осаждение при вторых условиях завершает процесс осаждения слоя α-Al2O3.
13. Способ по п. 11, в котором осаждение части с первой толщиной слоя α-Al2O3 при упомянутых первых условиях с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления <001> осуществляют в течение периода времени предпочтительно от 2 до 12 ч, более предпочтительно от 3 до 7 ч, а осаждение части со второй толщиной слоя α-Al2O3 при упомянутых вторых условиях с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления, по существу перпендикулярного кристаллографическому направлению <001>, предпочтительно вдоль кристаллографического направления <110> или <100>, осуществляют в течение периода времени предпочтительно от 10 мин до 2 ч, более предпочтительно от 15 мин до 1 ч, и/или при этом осаждение части с первой толщиной слоя α-Al2O3 при упомянутых первых условиях с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления <001> осуществляют до толщины от 2 мкм до 45 мкм, предпочтительно от 3 мкм до 15 мкм, более предпочтительно от 5 мкм до 12 мкм, а осаждение части со второй толщиной слоя α-Al2O3 при упомянутых вторых условиях предпочтительно осуществляют до толщины, составляющей 5-30% от толщины слоя α-Al2O3, осажденного при первых условиях процесса.
14. Способ по любому из пп. 11-13, в котором осаждение части с первой толщиной слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом кристаллов вдоль кристаллографического направления <001> проводят при первых условиях в реакционной камере CVD при давлении предпочтительно от 30 до 80 мбар, температуре в диапазоне предпочтительно от 930°С до 1030°С и концентрации реакционных газов в диапазонах:
от 2% до 7,5%, предпочтительно от 3% до 5%, CO2,
от 0,5% до 5%, предпочтительно от 1,5% до 4%, HCl,
от 0,5% до 5%, предпочтительно от 1,8% до 4%, AlCl3 и
от 0,2% до 1,1%, предпочтительно от 0,3% до 0,6%, X,
а осаждение части со второй толщиной слоя α-Al2O3 с предпочтительным ростом кристаллов по существу перпендикулярно кристаллографическому направлению <001>, предпочтительно вдоль кристаллографического направления <110> или <100>, проводят при вторых условиях в реакционной камере CVD при
давлении в диапазоне предпочтительно от 150 до 250 мбар,
температуре в диапазоне предпочтительно от 930°С до 1030°С,
и концентрации реакционных газов в диапазонах:
более 5% CO2,
от 5% до 25%, предпочтительно от 5% до 12%, HCl,
от 0,5% до 3%, предпочтительно от 1,0% до 1,8%, AlCl3 и
менее 0,35%, предпочтительно менее 0,25%, X.
15. Способ по любому из пп. 11-13, в котором в упомянутых первых условиях и/или во вторых условиях в реакционной камере CVD для осаждения упомянутых частей слоя α-Al2O3 компонент X представляет собой сочетание H2S и SF6, при этом объемная доля SF6 не превышает 15% от объемного количества H2S.
16. Способ по любому из пп. 11-13, в котором осаждение первой части толщины слоя и второй части толщины слоя α-Al2O3 при упомянутых первых условиях и/или вторых условиях в реакционной камере CVD для осаждения слоя α-Al2O3 проводят при добавлении N2, Ar, СО или их сочетаний, при этом сумма объемных долей N2, Ar и СО не превышает 20% от общего объемного количества Н2 в реакционной газовой смеси.
17. Способ по любому из пп. 11-13, в котором в качестве слоев покрытия дополнительно осаждают верхний слой поверх слоя α-Al2O3 и/или предварительно осаждают по меньшей мере один тугоплавкий слой на подложке и под слоем α-Al2O3 и/или первый тугоплавкий слой непосредственно поверх и в контакте с поверхностью подложки, причем верхний слой осаждают толщиной от 0,05 до 3 мкм, предпочтительно от 0,2 до 2 мкм, более предпочтительно от 0,5 до 1,5 мкм, предпочтительно упомянутый верхний слой осаждают методом CVD или PVD поверх слоя α-Al2O3, причем верхний слой содержит один или более слоев, выбранных из группы, состоящей из TiN, TiC, TiCN, ZrN, ZrCN, HfN, HfCN, VC, TiAlN, TiAlCN и AlN, или их многослойные пакеты, а упомянутые один или более тугоплавких слоев состоят из карбида, нитрида, карбонитрида, оксикарбонитрида или борокарбонитрида одного или более металлов, выбранных из группы, состоящей из Ti, Al, Zr, V и Hf или их сочетаний, осажденных методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) или среднетемпературного химического осаждения из газовой фазы (MTCVD), при этом каждый тугоплавкий слой имеет толщину от 0,5 до 20 мкм, предпочтительно от 1 до 10 мкм, и при этом первый тугоплавкий слой выбран из группы, состоящей из Ti(С,N), TiN, TiС, Ti(В,С,N), HfN и Zr(C,N) или их сочетаний, предпочтительно первый тугоплавкий слой, прилегающий к поверхности подложки, состоит из Ti(С,N), и/или при этом тугоплавкий слой, находящийся непосредственно под и в контакте со слоем α-Al2O3, состоит из кубического (Ti,Al)N, кубического (Ti,Al)(C,N) или из многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев кубического (Ti,Al)N или кубического (Ti,Al)(С,N) и одного или более тугоплавких слоев, состоящих из карбида, нитрида, карбонитрида, оксикарбонитрида или борокарбонитрида одного или более из Ti, Zr, V и Hf или их сочетаний.
18. Способ по п. 11, в котором используют подложку из цементированного карбида, кермета, керамики, стали или кубического нитрида бора.
19. Режущая пластина с покрытием, содержащим износостойкий слой α-Al2O3, изготовленная способом по любому из пп. 11-18.
