SE519339C2 - Skärverktyg belagt med aluminiumoxid och sätt att tillverka detsamma - Google Patents

Description

W U 20 25 30 35 40 ~ - n u u ø on o u - n .. u o - u o u o u; 519 339 2 andra skikt som visas i US 4,984,940. Det andra tunt, skiktet skall företrädesvis ha en annan kristallstruktur eller åt- O.l-l pm, minstone andra gitterparametrar för att kunna påbörja ny kärnbild- ning av det första skiktet. Ett exempel på en sådan teknik är när Al2O3-tillväxten periodiskt avbryts av en kort TiN-beläggningspro- cess som resulterar i en (Al2O3+TiN)xn multiskiktstruktur med en tjocklek av individuella TiN-skikt av omkring 0.1-l pm se t ex Proceedings of the 12:th European CVD Conference page pr.8-349.

Men sådana multiskiktstrukturer lider mycket ofta av en låg vid- häftning mellan de två olika slagen av skikt.

Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att förelägga på ett hårt substrat, eller företrädesvis på ett hårt substrat belagt med ett TiCXNyOZ-skikt, åtminstone ett enfasigt d-Al2O3-skikt med en mikrostruktur som är olik de tidigare kända kolumnära d- eller K-Al2O3-CVD-skikten nämnda ovan. Det är även ett syfte med före- liggande uppfinning att förelägga en högpresterande verktygsbe- läggning omfattande det uppfunna Al2O3-skiktet.

Det är ett ytterligare syfte med uppfinningen att förelägga ett aluminiumoxidbelagt skär med förbättrade skärprestanda i stål, rostfritt stål, gjutjärn och särskilt nodulärt gjutjärn.

Sveplektronmikroskop (SEM) mikrofoton i hög förstoring i toppvy visas i Fig la-3a. I Fig la visas ett Al2O3-skikt enligt föreliggande uppfinning, i Fig 2a ett tidigare känt Al2O3-skikt och i Fig 3a en tidigare känd multiskikt-Al2O3/TiN-beläggning.

Svepelektronmikroskop (SEM) mikrofoton i hög förstoring av polerade tvärsnitt visas i Fig lb-3b. I Fig lb visas ett Al2O3- skikt enligt föreliggande uppfinning, i Fig 2b ett tidigare känt Al2O3-skikt och i Fig 3b en tidigare känd multiskikt-Al2O3/TiN-be- läggning. Överraskande har det visat sig att ett icke-kolumnärt d- Al2O3-skikt kan utfällas genom avbrytning av Al2O3-tillväxtproces- sen genom att avbryta flödet av CO2, AlCl3, HCl och H25 till reak- torkammaren och sedan omedelbart introducera TiCl4 (H2 finns redan i reaktorn) för en kort tidsperiod. När reaktantgaserna AlCl3, HCl, CO2 och H25 tillåts återinträda i reaktorn igen i nämnd ord- ning kommer ny kärnbildning av Al2O3 att äga rum. Varaktigheten av TiCl4-behandlingen såväl som TiCl4-koncentrationen är viktiga pa- rametrar vilka måste vara optimerade för att erhålla det önskade resultatet. Om TiCl4-koncentration är alltför låg eller/och be- handlingstiden alltför kort blir inte ny kärnbildning av Al2O3- 10 15 20 25 30 35 40 519 359 ---- -- 3 ..... .. skiktet tillräckligt tät för att täcka en tillräcklig del av hela beläggningens yta. Om, å andra sidan, TiCl4-koncentration är allt- för hög och/eller behandlingstiden alltför lång blir kohesionen mellan Al2O3-kornen alltför svag resulterande i en låg kvalitet på beläggningen.

Metoden enligt föreliggande uppfinning avser sålunda belägg- ningen av en kropp med ett d-aluminiumoxidskikt under vilken krop- pen bringas i kontakt med en vätebärargas innehållande en eller flera halider av aluminium och en hydrolyserande och/eller oxide- rande agent vid en temperatur av kroppen mellan 950 och 1000 °C.

Oxidationspotentialen för CVD-reaktoratmosfären före kärnbild- ningen av Al2O3 hålls på en låg nivå med den totala koncentratio- nen av H20, vattenånga, eller andra oxiderande föreningar företrä- desvis mindre än 5 ppm. Al2O3-tillväxten startas genom insläpp av följande gaser AlCl3, HCl och C02 reaktionskammaren i nämnd ordning eller med användning av start- (H2 finns redan i reaktorn) i upprocedurer beskrivna i något av tidigare kända patent, US 5,487,625 och US 5,766,782, Al2O3-skikt. Efter 10-60 minuter tillsättes ett svaveldopningsme- del, Flödet av co2, Alcl3, Hcl gaserna och svaveldopningsmedlet avbryts periodiskt med mellanrum av 10-50 minuter och 1-10 % låts komma in i reaktorn för en tidsperiod av 1-10 minuter och se- för att åstadkomma olika texturer av företrädesvis H25, gasblandningen. (av vätegenomströmningen) TiCl4 til- dan åter ersättas av AlCl3, HCl, C02 och svaveldopningsmedlet i nämnd ordning. Detta förfarande upprepas flera gånger för att er- hålla en strierad, bimodal a-Al2O3-skiktstruktur med önskad korn- storlek och textur.

I kontrast till de kolumnära kornen i tidigare kända Al2O3- skikt är kornen i Al2O3-skiktet enligt föreliggande uppfinning vä- sentligen likaxliga med en bimodal struktur som är en blandning av små och stora korn. Den erhållna kornstorleken och -fördelningen av densamma är beroende på antalet TiCl4-behandlingar som utförts.

Ju oftare Al2O3-processen avbryts och Al2O3-ytan behandlas med TiCl4, desto mindre blir Al2O3-kornen. De stora Al2O3-kornen har en medelkornstorlek dc 3 1 um och de små A12O3-kornen 0.1 3 df § 1/3 dc.

Kornstorleken av a-Al2O3-skiktet kan bestämmas från ett SEM- mikrofoto i toppvy vid omkring 4000X förstoring. Ett sådant mikro- foto av en Al2O3-skiktyta enligt föreliggande uppfinning visas i Fig la. I Fig 2a och 3a visas mikrofoton av tidigare kända Al2O3- 10 15 20 25 30 35 519 339 .iflfiïëfl skikt. Storleken och formen av koínen kan lätt iakttas. Dessutom syns de strierade zonerna i a-A12O3-skiktet som innehåller titan och syre i ett polerat tvärsnitt vid 4000-6000 X förstoring. Dessa strierade zoner som inte innehåller något kol eller kväve kan även innehålla något aluminium. De strierade zonerna är företrädesvis <0.2 pm tjocka och antalet strierade zoner per pm Al2O3-skikt är 1-10. tan likna en multiskiktstruktur.

De kan vara nära förbundna tillsammans men i några fall näs- Närvaron av dessa strierade zoner i Al2O3-strukturen begränsar tydligen Al2O3-korntillväxten och gör nykärnbildning möjlig utan den negativa effekten av helt interme- diära skikt.

Genom val av lämpliga villkor för den begynnande tillväxten av Al2O3-skiktet, t ex enligt processerna i patenten US 5,487,625 och US 5,766,782, (Ol2)', (024)- el- (104)-riktningarna med en texturkoefficient TC>1.5 utfällas. kan Al2O3-skikt texturerade i ler Texturkoefficienten, TC, definieras som: I(hkl) 1 I(hkl) -1 TC(hkl) = ïšïšíïï {š :â:ï6Tšïïï} där I(hkl) = uppmätt intensitet för (hkl)-reflexen Io(hkl) = standardintensitet enligt ASTM standard powder pat- tern diffraction data n = antal reflexer använda i beräkningen, (hkl) använda reflexer är: (012), (104), (110), (113), (024), (116) Mera speciellt omfattar den belagda kroppen ett skärverktyg med ett substrat av hårdmetall, cermet eller en keramik och en be- läggning bestående av ett hårt, slitstarkt material och i sagda beläggning är åtminstone ett skikt ett enfasigt d-Al2O3-skikt en- ligt föreliggande uppfinning och sagda enfasiga a-Al2O3-skikt med en tjocklek i området 0.5-25 pm. De andra skikten i beläggnings- strukturen kan vara TiC eller besläktad karbid, nitrid, karbo- nitrid, oxikarbid och oxikarbonitrid av någon metall vald från grupperna IVB, VB och VIB av det periodiska systemet, elementen B, Al och Si och/eller blandningar därav. Sådana andra skikt kan vara utfällda med CVD, PACVD (Plasma CVD), PVD (Fysiskalisk Ångavsätt- ning) eller MT-CVD (Moderat Temperatur CVD). Åtminstone ett av så- dana andra skikt är i kontakt med substratet. Den totala tjockle- W U 20 25 30 35 40 519 339š3ifi;???¿ï¿íy¿¿L" 5. . . .. -"u;.'""" ken av beläggningen på skärverktyget kan variera mellan 1 och 30 pm. n o ø | o uu Exempel a) Hårdmetallskär av typ CNMG 120412-KM med sammansättningen 6 vikt-% Co och rest WC belades med ett 5 pm tjockt skikt av TiCN med användning av MTCVD-teknik med TiC14, H2, N2 och CH3CN som processgaser. I följande processteg under samma beläggningscykel utfälldes ett 0.5 pm TiCXNyOZ-skikt med en ungefärlig sammansätt- ning motsvarande x=0.5, y=O.3 och z=O.2 följt av ett 6 pm tjockt skikt av d-Al2O3 utfällt enligt den uppfunna beläggningsprocessen.

Före kärnbildningen av Al2O3 sattes oxidationspotentialen för bä- rargasen H2 (enda gas närvarande i reaktorn) d v s vattenångkon- centration, uttryckligen på en låg nivå, mindre än 5 ppm.

Sedan startades steg 1 för det första Al2O3-skiktet. Process- betingelserna under Al2O3-beläggningen var enligt nedan: Steg 1 2 3 4 C02: 4% 4% 0% 4% AlCl3: 4% 4% 0% 4% H25 - 0.2% 0% 0.2% HCl 1.5% 5% 0% 5% H2: rest rest rest rest TiCl4 - - 5% - Tryck: 60 mbar 60 mbar 60 mbar 60 mbar Temperatur: 1000 OC 1000 OC 1000 OC 1000 OC Tid: 30 min 20 min 5 min 20 min A12O3-skiktet utfälldes genom att fortsätta genom stegen 1, 2 och 3 och sedan genomlöpning av steg 3 och steg 2 nio gånger och avslutning av processen genom steg 4. Sålunda avbröts Al2O3-pro- cessen och behandlades med TiCl4/H2 totalt tio gånger.

Röntgendiffraktionsanalys av utfälld d-Al2O3 visade en starkt texturerad struktur med en texturkoefficient TC(012) av 1.7 för (012) och TC(024) (024).

Från SEM-bilder tagna från toppytan, liknande Fig la, planen av 1.5 för planen bestäm- des kornstorleken. De grova kornen hade en medelkornstorlek av 1 pm och de fina kornen hade en medelkornstorlek av 0.3 pm.

B) Hàrdmetallsubstraten i A) belades med TiCN (5 pm), ett 0.5 pm TiCXNyOz-skikt och Al2O3 (6 pm) enligt A) förutom att Al2O3- N U 20 25 30 35 40 519 339 6 processen utfördes enligt känd teknik d V s samma process som be- c n a u ø o u. skrivits under A.) förutom att TiCl4/H2-behandlingarna uteslöts och en Al203-processtid av 290 min. Detta resulterade i ett Al2O3- skikt bestående väsentligen av d-Al2O3-fasen med en medelkornstor- lek av omkring 2 um, Fig 2a.

C) Hårdmetallsubstraten från A) belades med TiCN (5 pm), 0.5 um TiCXNyOZ-skikt och ett 6 um Al2O3 multiskiktbeläggning på ett toppen enligt A) förutom att steg 3 ersattes av ett tidigare känt TiN-processteg. Processparametrarna för detta TiN-steg var som 2 % TiCl4, 40 58 % Detta resulterade i en multiskiktbeläggning bestående av ll skikt av Al2O3 och 10 tunna skikt av TiN. Al2O3-skiktet bestod av d-fas. och C) med 150 mesh Al2O3-pulver för att jämna till beläggningens ytor. följer: % N2, H2 och en processtid av 3 min.

Belagda verktygsskär från A), B) våtblästrades alla Skären prövades sedan med avseende på egglinje- och spånside- flagning i en planingsoperation i nodulärt gjutjärn. Formen på det bearbetade arbetsstycket var sådan att skäreggen utsattes för in- termittens två gånger under varje varv.

Skärdata: 170 m/min, Skärdjup = 2.0 mm och Hastighet = Mätning = 0.1 mm/varv.

Skären gjorde ett ingrepp över ytan av arbetsstycket. Detta prov är mycket utslagsgivande och krävande vid bearbetning av no- dulärt gjutjärn.

Procentandelen av egglinjen i ingrepp som erhållit flagning i hårdmetallsubstratet registrerades för varje provat skär såväl som i vad utsträckning flagning inträffat på spånsidan av skäret.

Resultatet är uttryckt i tabellen nedan som ett medelvärde av de fyra skären.

Flagning Egglinje Spånsida A) Q-Al203 enfas/strierad 0 endast fläckvis o\° flagning för Al203-Skiktet allvarlig Al2O3- (enligt uppfinningen) B) G-Al203 90 % (tidigare känd) C) multiskikt Al2O3/TiN (tidigare känd) flagning Flagning mellan TiN- och Al2O3-skikten

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 519 339 7

1. Skärverktyg för spånformande bearbetning omfattande en KRAV kropp av sintrad hårdmetall, cermet eller keramik och för vilket åtminstone på de verksamma delarna av ytan av kroppen, en hård och slitstark beläggning är utfälld k ä n n e t e c k n a t av att sagda beläggning omfattar en struktur av ett eller flera refraktära skikt med en total tjocklek av 1-30 pm av vilka åtminstone ett skikt väsentligen består av a-Al203, att sagda d- Al203-skikt består av väsentligen likaxliga korn med en medelkornstorlek av <1 um en tjocklek av 0.5-25 pm och ytterligare innehållande strierade zoner innehållande >5 atom % titan men inget kväve eller kol, varvid a-Al203-skiktet utfälls genom att kroppen bringas i kontakt med en vätebärargas innehållande en eller flera halider av aluminium och en hydrolyserande och/eller oxiderande agent vid 950-1000 OC vari oxidationspotentialen av CVD-reaktoratmosfären före kärnbildningen av Al203 hålls på en låg nivå med användning av en total koncentration av H20 eller andra oxiderande föreningar företrädesvis under 5 ppm, varvid Al203- tillväxten startas genom introduktion av följande gaser i reaktionskammaren: AlCl3, HCl och C02 och efter 20-60 min tillsät- tes ett svaveldopningsmedel, företrädesvis H25, och att under tillväxten stoppas C02, AlCl3, HCl och svaveldopningsmedlet upprepade gånger med mellanrum av 10-50 min och TiCl4 tillåts omedelbart komma in i reaktorn i 1-10 min i en koncentration av 1- 10% och sedan ersättas av AlCl3, HCl, C02 och svaveldopningsmedlet i nämnd ordning.

2. Skärverktyg enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att sagda Al203-skikt har en bimodal kornstorleksfördelning med grövre korn med en medelkornstorlek dc 5 1 um och finare korn df i inter- vallet 0.1 - 1/3 dc.

3. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att sagda strierade zoner är tjocka och antalet därav per pm Al203-skikt 1-10.

4. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att sagda aluminiumoxid skikt är textu- (104) (024) en texturkoefficient större än 1.5, varvid texturkoefficienten de- rerat i åtminstone en av riktningarna (012), eller med finieras som: W U 20 25 30 35 5'19 3259 .8 I(hkl) 1 I(hkl) -l Tcmkl) = 10mm) {E Ioulkifl där I(hkl) = uppmätt intensitet av (hkl)-reflexen Io(hkl) = standardintensitet enligt ASTM standard powder pat- tern diffraction data n = antal reflexer använda i beräkningen använda (hkl)-reflexer är: (012), (104), (113), (024), (116).

5. Skärverktyg enligt något av föregående krav (llO), k ä n n e t e c k n a t av att åtminstone ett skikt är i kontakt med substratet varvid sagda skikt omfattar en nitrid, karbid, kar- bonitrid, oxikarbid och/eller oxikarbonitrid av en metall vald från Grupp IVB, VB och VIB av det periodiska systemet, B, Al och Si och/eller blandningar därav.

6. Sätt att tillverka ett skärverktyg för spånavskiljande bearbetning omfattande en kropp av sintrad hårdmetall, cermet eller keramik med åtminstone på de verksamma delarna av ytan av verktyget en hård och slitstark beläggning k ä n n e t e c k n a t av att beläggningen omfattar en struktur av ett eller flera refraktära skikt med en total tjocklek av l-30 um av vilka åtminstone ett skikt väsentligen består av a-Al203 med en tjocklek av 0.5-25 pm varvid a-aluminiumoxidskiktet utfälls genom att Skäret bringas i kontakt med en vätebärargas innehållande en eller flera halider av aluminium och en hydrolyserande och/eller oxiderande agent vid 950-1000 OC vari oxidationspotentialen av CVD-reaktoratmosfären före kärnbildningen av Al203 hålls på en låg nivå med användning av en total koncentration av H20 eller andra oxiderande föreningar företrädesvis under 5 ppm, varvid Al2O3- tillväxten startas genom introduktion av följande gaser i reaktionskammaren: AlCl3, HCl och C02 och efter 20-60 min tillsät- tes ett svaveldopningsmedel, företrädesvis H2S, och att under tillväxten stoppas flödet av C02, AlCl3, HCl och svaveldop- ningsmedlet upprepade gånger med mellanrum av 10-50 min och TiCl4 tillåts omedelbart komma in i reaktorn i 1-10 min i en koncentration av l-lO% och sedan ersättas av AlCl3, HCl, C02 och svaveldopningsmedlet i nämnd ordning.