PL175775B1

PL175775B1 - Nóż skrawający powlekany tlenkiem glinu oraz sposób powlekania noża skrawającego tlenkiem glinu

Info

Publication number: PL175775B1
Application number: PL94306470A
Authority: PL
Inventors: Björn Ljungberg
Original assignee: Sandvik Ab
Priority date: 1993-12-23
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 1999-02-26
Also published as: SE9304283L; PL306470A1; IL111997A; JP3740647B2; DE69412440D1; SE502174C2; US5851687A; CA2138709C; DE69412440T2; RU94044394A; RU2130823C1; JPH07216549A; SE9304283D0; EP0659903A1; AU685534B2; US5980988A; EP0659903B1; AU8158494A; CN1039727C; ATE169691T1

Abstract

8. Sposób powlekania noza tlenkiem glinu powloka z teksturowanego a-Al2O3, zgodnie z którym element jest kontaktowany z gazem zawierajacym wodór oraz zawierajacym jeden lub wiecej halogenowych zwiazków glinu 1 hydrolizujacy i/lub utleniajacy skladnik w wyso- kiej temperaturze, znamienny tym, ze zdolnosc utleniania w atmosferze reaktora CVD przed nukleacja Al2O3 jest utrzymywana na niskim poziomie przy pomocy calkowitej koncentracji H2 0 lub innych skladników utleniajacych, korzystnie ponizej 5 czesci na milion oraz tym, ze A l 2 O 3 rozpoczyna sie od doprowadzania w kontrolowanej sekwencji gazów rea- kcyjnych, w nastepujacym porzadku: CO2, CO i AlCl2 oraz tym, ze temperatura wynosi okolo 850 - 1100°C, korzystnie od 1000 do 1050°C, w czasie nukleacji, oraz ze w czasie narastania powlokiAl2O3 siarczano-fluorowa mieszanina gazowa jest dodawana do mieszaniny reakcyjnej. PL PL PL

Description

Niniejszy wynalazek dotyczy powlekanego tlenkiem glinu noża skrawającego oraz sposób powlekania noża skrawającego tlenkiem glinu.

175 775

Osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD) tlenku glinu na narzędziach skrawaj ącychjest stosowane w praktyce przemysłowej od ponad 15 lat. Własności pokrywająceAl₂O₃ jak również innych materiałów ogniotrwałych zostały już obszernie opisane.

Technika CVD jest również stosowana do wykonywania powłok z innych tlenków, węglików lub azotków metali, gdzie metal jest jednym z metali przejściowych z IVB, VB lub VIB grupy tablicy Mendelejewa. Wiele z tych związków znalazło praktyczne zastosowanie jako odpornościowe lub ochronne powłoki, lecz najwięcej uwagi poświęca się związkom TiC, TiN i Al₂O_s.

Narzędzia tnące z węglików spiekanych powlekane różnymi rodzajami powłok A1₂O₃, jak na przykład czyste K-Al^Os, mieszaniny k- i α-A^Oj oraz gruboziarniste a-AbtT, są dostępne w handlu od wielu lat. A1₂O₃ krystalizuje w wielu różnych fazach: οςκ,γ,β,Θ itp. Najczęściej występującymi w powłokach odpornościowych wykonanych według techniki CVd fazami sąstabilne termodynamicznie, heksagonalne α-faza i metastabilna κ-faza. Zasadniczo, κ-faza jest drobnoziarnista z rozmiarem ziarna z zakresu 0.5 -2.0 (im i powłok wykonane z tej fazy posiadają często słupkową postać krystaliczną. Ponadto, powłoki k-A^Os są wolne od defektów krystalograficznych oraz wolne od mikro-porów i pustek.

Ziarna a-A^Os są zazwyczaj grubsze, wielkość ich ziarna należy do zakresu 1-6 pm w zależności od warunków osadzania. Porowatość i defekty Krystalograficzne są w tym przypadku częstsze.

Zarówno a- jak i κ-faza jest obecna w powłoce z tlenku glinowego wykonanej techniką CVD nakładanej na narzędzie tnące. W dostępnych w handlu narzędziach tnących A1₂O₃ jest zawsze nakładane na powleczony TiC ceramiczny lub węglikowy półprodukt (patrz np. patent US nr 3 837 896, ponownie przyznanyjako patent US nr 29 420) i przez to międzywarstwowe reakcje pomiędzy powierzchniąTiC i powłokąz tlenku glinu mająszczególne znaczenie. W tym kontekście warstwa TiC powinna również zawierać warstwy o wzorze TiC_xN_yO_z, w których węgiel w TiC jest całkowicie lub częściowo zastępowany przez tlen i/lub azot.

Sposób pokrywania narzędzi skrawających z węglika spiekanego, zgodnie z którym tlen dodatkowo zwiększa wytrzymałość powłoki, jest przedstawiony na przykład w patentach US nr 29420,4 399 168,4018 631,4490 191 i 4 463 033. Patenty te opisująpowlekane tlenem elementy, oraz to, w jaki sposób różne wstępne obróbki, jak na przykład powłoki TiC węglika spiekanego, zwiększają przyleganie kolejno następujących warstwy tlenu. Elementy powleczone tlenkiem glinu sąponadto opisane w patentach US nr 3 736 107,5 071 696 i 5 137 774, gdzie warstwy A2₂O₃ zawierają fazy krystaliczne cc k lub kombinacje a + k.

Patent US 4 619 866 opisuje sposób produkcji szybko rosnących warstw ALO poprzez zastosowanie reakcji hydrolizy związków halogenicznych metali pod wpływem domieszki siarki, selenu, telluru, fosforu, arsenu, antymonu, bizmutu lub ich mieszanin. Przykładami domieszek bazujących na siarce są^S, COS, CS2, SF₆, SF4, SO2O2 i SO2. W takich warunkach procesowych, wytwarzają się głównie dwie fazy A2O3, α i κ. Powstające powłoki składaaąsię z mieszaniny mniejszych κ-ziaren i większych α-ziaren. Proces zapewnia powłoki o jednakowej grubości warstwy na całym powlekanym elemencie.

Szwedzki patent 9101953-9 opisuje sposób narastania drobnoziarnistych powłok z k- tlenku glinu.

W szwedzkim opisie nr 9203852-0 opisany jest sposób otrzymywania drobnoziarnistej, posiadającej teksturę (012) u-AkCJ powłoki. Ta szczególna powłoka ΑβΤβ zastosowana do narzędzi z węglika spiekanego jest szczególnie przydatne do obróbki żeliwa.

Z powodu zróżnicowania współczynnika rozszerzalności cieplnej tlenku glinu i półproduktu z węglika spiekanego, chłodnicze pęknięcia, tworzące połączoną sieć, są często obecne w powłokach A^C^, patrz na przykład patent US 5 123 934 i fig. 4. W czasie niektórych operacji skrawania wykonywanych narzędziami powlekanymi AbEL, chłodnicze pęknięcia wnikają w głąb półproduktu z węglika spiekanego i powodują trwałe uszkodzenie narzędzia. Pęknięcia chłodnicze mogą również powodować łuszczenie fragmentów całej struktury powłoki.

Celem niniejszego wynalazku jest dostarczenie noża z powłokąz tlenku glinu zasadniczo wolnąod pęknięć chłodniczych i w efekcie lepiej skrawającego stal, stal nierdzewną lub żeliwo.

175 775

Kolejnym celem wynalazku jest umieszczenie na twardym półprodukcie lub korzystnie na wspomnianej powłoce TiC_xN_yO_z przynajmniej jednej fazy A1₂O₃ odmiany polimorficznej a o żądanej mikrostrukturze i krystalograficznej teksturze (110) przy zapewnieniu odpowiednich warunków nukleacji i narastania takich, że własności warstwy A2₂O₃ stabilizują się.

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem, dostarcza się nóż posiadający korpus z twardego stopu, na który nałożona jest powłoka odpornościowa. Powłoka zawiera jedną lub więcej warstw, z których przynajmniej jedna warstwa jest teksturowaną (110) warstwąAl₂O3 odmiany polimorficznej a, zasadniczo wolną od pęknięć chłodniczych.

Przykładowe powłoki w powiększeniu według wynalazku i ze stanu techniki pokazano na rysunku, na którym fig. 1 i 3 pokazujązdjęcia od góry ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) w powiększeniu x3000, przedstawiające typową powłokę A2₂O₃ zgodną z niniejszym wynalazkiem (fig. 1) oraz zgodną z obecnym stanem techniki (fig. 3).

Figury 2 i 3 przedstawiają zdjęcia od góry ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) w powiększeniu x200 powłoki AFO3 zgodnej z niniejszym wynalazkiem (fig. 2) i zgodnej z obecnym stanem techniki (fig. 4).

Stwierdzono z zaskoczeniem, że sposób spowodował powstanie powłoki a-Al₂03 o specyficznej mikrostrukturze i krystalograficznej teksturze zasadniczo zmniejszając nie tylko ilość pęknięć chłodniczych, lecz również długość i szerokość każdego z pęknięć chłodniczych. Pęknięcia chłodnicze są wzajemnie odizolowane i nie tworzą sieci (porównaj fig. 2 i 4). Narzędzia z węglika spiekanego powleczone takimi warstwamiA1₂O3 posiadają większą żywotność w porównaniu z obecnie znanymi narzędziami, stosowanymi do obróbki stali lub żeliwa, w szczególności jeśli powierzchnia została później wygładzona przez obróbkę strumieniowo ścierną.

Bardziej szczegółowo, niniejszy wynalazek dotyczy powlekanego elementu o współczynniku rozszerzalności cieplnej z zakresu od 4 do 7 · 10‘⁶K' zaopatrzonego w powłokę o grubości mniejszej niż 20 μ, zawierającą przynajmniej jedną warstwę tlenku glinu o grubości 1-10 pm i zasadniczo wolną od pęknięć chłodniczych.

Korzystnie, wspomniany element jest wsadem noża, wykonanego z węglika spiekanego, lub z bazującego na tytanie azotku węgla, lub z ceramiki.

Korzystnie warstwa A2₂O3 według niniejszego wynalazku posiada korzystną krystaliczną orientację narastania (110), który jest wyznaczony przez pomiary wykonane promieniami X (XRD). Współczynnik tekstury, TC, może być zdefiniowany jako:

I(hkl) (l I(hkl)Y-1 TC(hkl)={z)

I(hkl)knl (hkl)J ) ) gdzie

I(hkl) - mierzone natężenie (hkl) odbicia

I₀(hkl) = standardowe natężenie według standardu ASTM wielkości dyfrakcji rentgenogramu proszkowego n = liczba odbić wziętych do obliczeń, stosowane odbicia (hkl) to: (012), (104), (110), (113),(024),(11 6)

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem, TC dla zbioru płaszczyzn krystalicznych (110) jest większy niż 1.5, korzystnie większy niż 2.5, a najkorzystniej większy niż 3.5.

Rozmiar ziaren A2₂O₃ zmienia się w zależności od zapewnionych warunków nukleacji i narastania. Średni rozmiar ziarna jest wyznaczany z mikrografów z SEM o powiększeniu x5000. Dla przynajmniej dziesięciu losowo wybranych ziaren A2₂O₃ mierzona jest widziana od góry długość (L) i szerokość (W). Średnie L i średnie W reprezentują aktualny rozmiar ziarna. Dla powłok zgodnych z niniejszym wynalazkiem, stosunek LAV wynosi od 1do 10, korzystnie 3-7, przy L = 2 - 8 pmPoza warstwą (warstwami) tlenku glinu struktura powłoki zawiera TiC lub odpowiedni węglik, azotek, azotek węgla, utleniony węglik, utleniony węgloazotek metalu wybranego z gru175 775 py IVB, VB, VIB z tablicy Mendelejewa, B, Al, Si, lub ich mieszanin, z których korzystna jest TiC_xN_yO_z.

W korzystnym wariancie warstwa tlenku glinu według niniejszego wynalazkujest korzystnie zewnętrzną warstwą, lecz może być również umieszczona na niej jedna lub więcej kolejnych warstw.

W jeszcze jednym korzystnym wariancie wynalazku wspomniana warstwa tlenku glinu kontaktuje się z warstwą TiC_xN_y02, która korzystnie jest najbardziej wewnętrzną warstwą powłoki.

Teksturo wąpowłokąAl₂O3 według niniejszego wynalazku uzyskuje się dzięki dokładnej kontroli wielkości utleniania atmosfery reaktora CVD przed nukleacją Całkowita koncentracja poziomu H20 lub innych czynników utleniających powinna korzystnie wynosić mniej niż 5 części na milion. Nukleacja AFO₃ jest inicjowana przez kontrolowaną sekwencję gazów reakcyjnych, tzn. gazy wchodzą do reaktora w następującym porządku: CO2, CO i AlCl3 przy temperaturze z zakresu 850 - 1100°C, korzystnie od 1000 do 1050°C. Warunki nukleacji determinują postać polimorficzną tlenku glinu, rozmiar ziarna tlenku glinu i, do pewnego stopnia, żądaną teksturę. W czasie procesu osadzania do mieszaniny reakcyjnej dodawana jest mieszanina zawierająca gazy siarkowo - fluorowe, z korzyścią SF₆, w celu uzyskania żądanej mikrostruktury powleczenia. Innymi możliwymi dodatkami są: H2S + F2, H2S + HF, SF4, Cf₄ + H2S, itp. Z kolei dokładność zapewnionych warunków zależy do pewnego stopnia od zastosowanego wyposażenia. Zadaniem specjalisty jest wyznaczenie, czy żądana tekstura i morfologia powłoki została uzyskana oraz modyfikacja warunków nukleacji i osadzania zgodnie z niniejszą specyfikacją, jeśli jest to pożądane, by wpłynąć na teksturę i morfologię powłoki.

Przykład I.

A) WkłaWa skrawsijąca a węgli kii spiekanego o współczynniku r^o^k^zeri^rilr^crś<^^ ciepinęi 6.3 * 10'⁶K'1 o składzie 6.5% Co, 8.5% regularnych kryształów węglików w reszcie z WC były pówleckóoe warstwąTiCN o grubości 5.5 pm. W kolejnych krokach procesowych w czasie tego samego cyklu powlekania została nałożona warstwa a-Al^^₃ o grubości 6.5 pm. Zdolność utleniania gazu zawierającego wodór, tzn. koncentracja pary wodnej, została z góry ustawiona na niskim pókiómig, mniejszym niż 5 części na milion, przed oukleacjąAl₂O3.

Mieszanina gazów reakcyjnych zawierająca CO2, CO i AlCl3 była kolejno dodawana do gazu zawierającego wodór w zadanym porządku.

Mieszaniny gazów i inne warunki procesowe w czasie etapów 1 i 2 osadzania A1₂O₃ obejmowały:

krok	1	2
CO2:	4%	4%
AlCl₃:	4%	4%
CO:	2%	-
SF6:	-	0.2%
Hel:	1%	4%
H2	reszta	reszta
Ciśnienie:	55 mbar	100 mbar
Temperatura:	1000°C	1030°C
Czas trwania:	1 godzina	5.5 godziny

Analiza XRD wyznaczyła współczynnik tekstury, TC( 110) o wartości 4.5 płaszczyzn (110) w pojedynczej a fazie powleczenia A2₂O₃.

Analiza SEM wykazała, że powłoka a-AFCO·. zasadniczo jest wolna od pęknięć i składa się z płytkowych ziaren o średnim rozmiarze L = 3.5 pm i W = 0.7 pm. Jednakże bardzo olelickoe pęknięcia miały szerokość w przybliżeniu 0.01 pm oraz średnią długość fali około 20 pm.

B) Półprodukto węgR^ sgiekanega A) gosta) kosvlenóocy TiCN (5.5 pm) i Al₂Oi (6.5 pnf) tak jak w A), z wyjątkiem tego, że proces wykonania powłoki został przeprowadzony zgodnie z obecnie znanym sposobem, polegającym na otrzymaniu w powłoce mieszaniny gru6

175 775 bych α- i drobnych k-A1₂O₃ ziaren. Powłoka ta posiada wzór dobrze rozwiniętych pęknięć, ze średnim odstępem między pęknięciami 100 μτη i szerokościąpękmęcia w przybliżeniu 0.05 μτη.

Wkładki skrawające narzędzia powleczone według A) i według B) zostały wygładzone obróbką strumieniowo ścierną pyłem Al₂O₃ o granulacji 150 oczek sita na cal w celu wyrównania powierzchni powłoki.

Wkładki skrawające zostały przetestowane co do zachowania Krawędzi tnącej i łuszczenia się powierzchni natarcia w operacji toczenia poprzecznego żeliwa sferoidalnego (AISI60-40-18, DIN GGG40). Kształt obrabianego elementu był taki, że krawędź skrawająca była dwukrotnie przerywana w czasie każdego obrotu.

Dane dotyczące skrawania: prędkość = głębokość skrawania = posuw =

150 m/min; 2.0 mmi;

0.1 mm/obrót

Wkładkami wykonano po jednym przejściu skrawania na całej powierzchni czoła obrabianego elementu.

Wyniki zostały przedstawione w poniższej tabeli jako procentowa zawartość złuszczeń w linii Krawędzi tnącej, jaK również złuszczeń obszaru powierzchni natarcia będącego w kontakcie z materiałem skrawanym obrabianego elementu.

	Zluszczenie (%)
linia krawędziowa	powierzchnia natarcia
A) pojedyncza faza/teksturowane a-Al₂C₃	0	0 (zgodnie z wynalazkiem)
B) α + k A1₂O₃	45	8

Przykład II.

WKładKi skrawające z A) i B) zostały także przetestowane co do złuszczeń na linii krawędzi tnącej w operacji toczenia poprzecznego stali stopowej (AISI 1518, W-nr 1 0580). Kształt przetwarzanego elementu był taki, że krawędź skrawająca była przerywana trzy razy w czasie każdego obrotu.

Dane dotyczące przecinania:

prędkość = 130i220m/mm;

głębokość skrawania = 2 mmi;

posuw = 0.2 mm/obrót

Poniższy wynik został wyrażony jako procentowa zawartość złuszczeń w linii krawędzi tnącej.

	Złuszczenie (%) linia krawędziowa
D) pojedyncza faza/teksturowane a-AI₂O₃	0 (zgodnie z wynalazkiem)
E) α + KAbO₃	35

175 775

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Nóż skrawający powlekany tlenkiem glinu z powłoką o grubości mniejszej niż 20 pm, zawierającaprzynajmniej jedną warstwę tlenku glinu o grubości 1-10 pm, przy czym nóż posiada współczynnik rozszerzalności cieplnej pomiędzy 4 i 7 · 10⁶K^_I , znamienny tym , że warttwa tlenku glinu jest zasadniczo wolna od pęknięć chłodniczych.
2. Nóż według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwa tlenku glinu składa się z teksturowanej α-struktury o orientacji (110), o współczynniku tekstury większym niż 1.5, korzystnie większym niż 2.5, a najkorzystniej większym niż 3.5, współczynnik tekstury jest zdefiniowany w następujący sposób:

I(hkl) (1I(hkl)Y-1

TC Chkl) =Σς>

I(hkl)(nl (hkl)J

0 i gdzie

I(hkl) = mierzone natężenie (hkl) odbicia

I₀(hkl) = standardowe natężenie według standardu ASTM wielkości dyfrakcji rentgenogramu proszkowego n = liczba odbić wziętych do obliczeń, stosowane odbicia (hkl) to: (012), (104), (110), (113), (024),(11 6).
3. Nóż według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że warstwa tlenku glinu zawiera płytkowe ziarna o długości 2-8 pm i stosunek długość/szerokość wynoszący 1-10, korzystnie 3-7.
4. Nóż według zastrz. 3, znamienny tym, że warstwa tlenku glinu jest najbardziej zewnętrzną warstwą.
5. Nóż według zastrz. 4, znamienny tym, że warstwa tlenku glinu jest w kontakcie z warstwą TiC^O^
6. Nóż według zastrz. 5, znamienny tym, że warstwa TiC_xN_yO_z jest wewnętrzną warstwą powłoki.
7. Nóż według zastrz. 6, znamienny tym, że wkładka skrawająca nożajest wykonana z węglika spiekanego, bazującego na tytanie azotku węgla lub jest ceramiczna.
8. Sposób powlekania noża tlenkiem glinu powłoką z teksturowanego a-Al₂O₃, zgodnie z którym element jest kontaktowany z gazem zawierającym wodór oraz zawierającym jeden lub więcej halogenowych związków glinu i hydrolizujący i/lub utleniający składnik w wysokiej temperaturze, znamienny tym, że zdolność utleniania w atmosferze reaktora CVD przed nukleacją A1₂O₃ jest utrzymywana na niskim poziomie przy pomocy całkowitej koncentracji H₂O lub innych składników utleniających, korzystnie poniżej 5 części na milion oraz tym, że nukleacja A1₂O₃ rozpoczyna się od doprowadzania w kontrolowanej sekwencji gazów reakcyjnych, w następującym porządku: CO₂, CO i AlCl₂ oraz tym, że temperatura wynosi około 85<0-1100°C, korzystnie od 1000 do 1050°C, w czasie nukłeacji, oraz że w czasie narastania powłoki A1₂O₃siarczano-fluorowa mieszanina gazowa jest dodawana do mieszaniny reakcyjnej.