SE502174C2 - Sätt och alster vid beläggning av ett skärande verktyg med ett aluminiumoxidskikt - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 35 40 Z 502 174 4,0l8,63l, 4,490,l9l och 4,463,033. Dessa patent beskriver oxidbelagda kroppar och hur olika förbehandlingar t.ex. av TiC- belagd hardmetall, förbättrar vidhäftningen av det därefter de- ponerade oxidskiktet. Aluminiumoxidbelagda kroppar är dessutom beskrivna i U.S. Pat. No. 3,736,lO7 och EPO No. O 403 461 och O 408 535 varvid Al2O3-skiktet omfattar a-, K- resp a-/K-kombina- tioner. en metallhalid under inverkan av ett dopämne vald fràn gruppen bestående av svavel, tellur, fosfor, arsenik, antimon, vismut och blandningar därav. Nágra exempel pá svavelbaserade katalysatorer är H25, COS, CS2, SF5, SF4, SO2Cl2 och S02. Under dessa processvillkor bildas väsentligen tva faser av Al2O3, a- Den resulterande beläggningen bestár av en Proces- selen, och K-faserna. blandning av de mindre K-kornen och de större a-kornen. den belagda kroppen.

Svenska patentansökan 9101953-9 beskriver en metod att växa en finkornig K-aluminiumoxidbeläggning.

I svenska patentansökan 9203852-O beskrivs en metod att er- hälla en finkornig a-aluminiumoxidbeläggning texturerad i (012)-riktningen. Denna speciella Al2O3-beläggning pà hárdme- tallverktyg har befunnits speciellt användbar för gjutjärnsbe- arbetning. kylsprickor som bildar ett sammanhängande nätverk i ett alumi- US 5,l23,934 och fig 4. Under vissa skaper i stal, rostfritt stal och gjutjärn.

Det är ett ytterligare ändamàl med föreliggande uppfinning att lägga pá ett hart substrat eller nämnda TiCXNyOz_beläggning átminstone ett enfas-Al2O3-skikt av 20 30 oss (a) (110)-textur med användning av lämpliga kärnbildnings- och tillväxtbetingelser sádana att sagda egenskaper hos Al2O3- skiktet är stabiliserade.

Enligt uppfinningen föreligger ett skärande verktyg omfat- tande en kropp av en härd legering pà vilken en slitstark be- läggning har deponerats. Beläggningen omfattar ett eller flera refraktära skikt av vilka àtminstone ett skikt är ett (110)- texturerat Al2O3-skikt av a-polymorf väsentligen fritt frän kylsprickor.

Fig 1 och 3 visar i toppvy ett Svep Elektron Mikroskop (SEM) mikrofoto vid 3000X förstoring av en typisk Al2O3-belägg- ning enligt uppfinningen, fig 1, och enligt känd teknik, fig 3.

Fig 2 och 4 visar i toppvy ett Svep Elektron Mikroskop (SEM) mikrofoto vid 200X förstoring av en typisk Al2O3-belägg- ning enligt uppfinningen, fig 2, och enligt känd teknik, fig 4. Överraskande har en metod funnits att växa en Al2O3-belägg- ning med en specifik mikrostruktur och en kristallografisk textur som minskar inte bar antalet kylsprickor utan ocksa längden och bredden av varje individuell kylspricka. Kylspric- korna är isolerade och de bildar inte ett sammanhängande nät- verk, (jämför fig 2 och 4). Hàrdmetallverktyg belagda med sä- dana Al2O3-skikt uppvisar förbättrade slit- och seghetsegenska- per jämfört med tidigare kända verktyg vid användning för maskinbearbetning av stal eller gjutjärn speciellt om ytan har ytterligare jämnats genom vatblästring.

Mera specifikt hänför sig föreliggande uppfinning till en belagd kropp med en termisk längdutvidgningskoefficient mellan 4 och 7-10'6-K“l försedd med en <20 pm tjock beläggning omfat- tande minst ett skikt av Al2O3 med en tjocklek av 1-10 um väsentligen fritt fràn kylsprickor.

Företrädesvis är sagda kropp ett skär av hardmetall, titan- baserad karbonitrid eller keramik.

Al2O3-skiktet enligt uppfinningen har företrädesvis en kristalltillväxtorientering i riktningen (110) som är bestämd genom röntgendiffraktionsmätningar(XRD). En texturkoefficient, TC, kan definieras som: _ Ighki) Tcmkl) _ 10mm) zlßlíllyl I0(hkl) 502 'i74_ 10 15 20 25 30 35 40 502 174 där I(hkl) = uppmätt intensitet hos (hkl) reflexen Io(hkl) = normalintensitet enligt ASTM Standard Powder Pattern Diffraction Data antal reflexer använda vid beräkningen, (hkl) (012), (104), (110), (113), n = använda reflexer är: (ll6) Enligt uppfinningen är TC för uppsättningen av (110) kris- företrädesvis större än 2.5 och helst (024), tallplan större än 1.5, större än 3.5.

Storleken hos Al2O3-kornen varierar beroende pá kärnbild- nings- och tillväxtbetingelserna. Medelkornstorleken bestäms fràn ett SEM toppvy mikrofoto i 5000X förstoring. För atmins- tone tio slumpvis valda Al2O3-korn mäts längden (L) och bredden (W) i toppvy. Medelvärdet av L och medelvärdet av W represen- terar den aktuella kornstorleken. För skikt enligt föreliggande uppfinning är L/W-kvoten 1-10, företrädesvis 3-7, med L=2-8 um.

» Förutom Al2O3 skiktet/n omfattar beläggningsstrukturen TiC eller besläktad karbid, nitrid, karbonitrid, oxikarbid och oxikarbonitrid av en metall vald fràn gruppen bestående av metaller i grupperna IVB, VB, och VIB av det periodiska syste- met jämte B, Al och Si och/eller blandningar därav varvid TiCxNyOz föredras. ningen av Al2O3 startas genom att kontrollerat introducera reaktantgaserna i följande ordning: C02, CO och AlCl3 och temperaturen skall företrädesvis vara omkring l00O°C. De an- 20 30 40 5 502 174 gasblandning innehàllande svavel-fluor (SF5, H28/F2, H28/HF, SF4, CF4/H2S...) till reaktionsblandningen för att fa den önskade mikrostrukturen hos beläggningen. Men de exakta vill- koren beror till en viss utsträckning pa konstruktionen av den använda utrustningen. Det ligger inom fackmannens omràde att avgöra om den nödvändiga texturen och skiktmorfologin har erhallits och att modifiera kärnbildnings- och utfällnings- betingelserna enligt den föreliggande specifikationen, om önskat, för att ástadkomma graden av textur och skiktmorfologi.

EXEMPEL l A) Hàrdmetallskär med en termisk utvidgningskoefficient av 6.3-1O'6-K'1 och med kompositionen 6.5 % Co, 8.5 % kubiska karbider och rest WC belades med ett 5.5 pm tjockt skikt av TiCN. I efterföljande behandlingssteg under samma beläggnings- cykel utfälldes ett 6.5 pm tjockt skikt av u-Al2O3. Oxidations- dvs vattenangkoncentrationen, var <5 ppm, före 5,071,696).

CO och AlCl3 till- potentialen av vätebärgasen, uttryckligen satt till en relativt lag nivà, Al2O3-kärnbildningen (Se även U.S. Pat. No.

En reaktionsgasblandning omfattande C02, fördes vätebärgasen i given ordning.

Gasblandningarna och de andra processbetingelserna under Al2O3-beläggningsstegen omfattade: 1. 2.

C02: 4% C02: 4% AlCl3: 4% AlCl3: 4% CO: 2% SF6: 0.2% H2: rest H2: rest Processtryck: 55 mbar Processtryck: 100 mbar Temperatur: l000°C Temperatur: 1030°C- Tid: 1 tim Tid: 5.5 tim Röntgendiffraktionsanalys visade en texturkoefficient, TC(llO), av 4.5 för planen (110) i enfas Q-Al2O3-beläggningen.

SEM-studier visade att den väsentligen sprickfria u-Al2O3- beläggningen bestod av plattliknande korn med en medelstorlek av L= 3.5 um och W= 0.7 pm. Men de mycket få uppträdande spric- korna hade en vidd av omkring 0.01 um och en medellängd av om- kring 20 pm.

B) Hàrdmetallsubstratet i A) belades med TiCN (5 um) och Al2O3 (7 pm) som framgår i A) förutom att Al2O3-processen ut- W U 20 25 30 35 40 502 yteflagning i en plansvarvningsoperation i nodulärt gjutjärn Formen pá det bearbetade arbets- per varv erhölls.

Skärdata: Hastighet = 150 m/min, Skärdjup = 2.0 mm och Matning = 0.1 mm/varv.

Flagning (%) Egglinje Spánsida A) enfas/texturerad 0 O (enligt a-Al2O3 uppfinningen) B) OUK Al2O3 45 8 EXEMPEL 2 De belagda skären fràn A) och B) avseende pá egglinjeflagning i en plansvarvningsoperation i ett legerat stàl (AISI 1518, W-no. l,O580). Formen pá det bearbetade arbetsstycket var sàdan att ett intermittent skärförlopp med tva slag per varv erhölls.

Skärdata: Hastighet = 130-220 m/min, Skärdjup = 2 mm och Matning = 0.2 mm/varv.

Plansvarvningen kördes en gáng över arbetsstycket.

Resultaten nedan är uttryckta som den andel i procent av provades också med egglinjen i ingrepp som erhàllit flagning. 7 502 174 Flagning (%) Egglinje D) enfas/texturerad 0 (enligt a-Al2O§ uppfinningen) 35 E) CL/K Al203

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 502 174 KBAY

1. Sätt att belägga ett skärande verktyg med ett a-alumini- umoxidskikt vid vilket verktyget bringas i kontakt med en väte- bärgas innehållande en eller flera halider av aluminium och en hydrolyserande och/eller oxiderande agent såsom C02 vid hög temperatur k ä n n e t e c k n a t av att oxidationspotentialen 'för atmosfären i CVD-reaktorn före kärnbildningen av Al203 hålls på en låg nivå genom användning av en total koncentra- tionsnivå av H20 eller andra oxiderande specier företrädesvis under 5 ppm, att kärnbildningen av Al203 startas genom kontrol- lerad introduktion av reaktantgaserna i följande ordning: C02, C0 och AlC13, att temperaturen är omkring l000°C under kärn- bildningen och att under tillväxten av Al203-beläggningen till- sätts en svavel-fluor innehållande gasblandning till reaktions- blandningen.

2. Skärande verktyg med en <2O pm tjock beläggning omfat- tande åtminstone ett skikt av aluminiumoxid med en tjocklek av 1-10 pm varvid sagda skärande verktyg har en termisk utvidg- ningskoefficient av mellan 4 och 7-lO'6 K'1 k ä n n e t e c k n a t av att sagda aluminiumoxidskikt är vä- sentligen fritt från kylsprickor samt består av enfas a-struk- tur texturerad i (110)-riktningen med en texturkoefficient större än l¿5, och helst större än 3.5 definierad som: företrädesvis större än 2.5, _ I(ll0) 1 Ighkl) -1 Tculo) _ I (110) {“ Eïomklß O där I(hkl) = uppmätt intensitet för (hkl) reflexen Io(hkl) = normalintensitet enligt ASTM Standard Powder Pattern Diffraction Data n = antal reflexer använda vid beräkningen, (hkl) använda reflexer är: (012), (104), (110), (113), (024), (116) och att aluminiumoxidskiktet framställts medelst sät- tet enligt krav 1.

3. Skärande verktyg enligt föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att sagda aluminiumoxidskikt omfat- 10 15 502 174 tar plattliknande korn med en längd 2-8 pm och en längdlbredd- kvot av 1-10, företrädesvis 3-7.

4. Skärande verktyg enligt k ä nln e t e c k n a t av att yttersta skiktet.

5. Skärande verktyg enligt k ä n n e t e c k n a t av att kontakt med ett TiCxNy0z-skikt.

6. Skärande verktyg enligt av att sagda TiCxNyOz-skikt är ningen.

7. Skärande verktyg enligt k ä n n e t e c k n a t av att något av föregående krav 2-3 sagda aluminiumoxidskikt är det något av föregående krav 2-4 sagda aluminiumoxidskikt är i krav 5 k ä n n e t e c k n a t det innersta skiktet av belägg- något av föregående krav 2-6 verktyget är ett skär av hårdme- tall, titanbaserad karbonitrid eller keramik.