SE522736C2 - Aluminiumoxidbelagt skärverktyg och metod för att framställa detsamma - Google Patents

Description

25 30 35 40 522 7362 5,766,782 (Ljungberg), 5,834,06l (Ljungberg) och 5,980,988 (Ljung- berg).

Icke desto mindre är bearbetning av nodulärt gjutjärn fortfa- rande ansett vara en krävande metallbearbetningsoperation. Detta är speciellt påtagligt i svåra och intermittenta bearbetningsope- rationer där ett a-Al2O3-belagt verktyg ofta lider av omfattande flagning av aluminiumoxidskiktet från verktygssubstratet. Därför är det ett syfte med föreliggande uppfinning att förse ovanpå ett hårt verktygssubstrat ett relativt tjockt Al2O3-skikt av polymor- fen alfa med en önskad mikrostruktur och kristallografisk textur genom att använda en beläggningsprocess med lämpliga kärnbild- nings- och tillväxtbetingelser sådan att de erhållna egenskaperna för Al2O3-skiktet ger ett aluminiumoxidbelagt skärverktyg med för- bättrade skärprestanda i stål, rostfritt stål, gjutjärn och sär- skilt i nodulärt gjutjärn.

Enligt föreliggande uppfinning föreligger ett skärverktyg för metallbearbetning såsom svarvning (gängning och avstickning), fräsning och borrning omfattande en kropp av en hård legering av sintrad hårdmetall, cermet eller keramik ovanpå vilka en hård och slitstark refraktär beläggning är utfälld. Sagda beläggning omfat- tar en struktur av ett eller flera refraktära skikt av vilka åt- minstone ett skikt består av aluminiumoxid med en skikttjocklek av 0,5-25 um, företrädesvis l-10 pm. Aluminiumoxidskiktet består av väsentligen enfasig d-aluminiumoxid med en uttalat kolumnär korn- struktur.

Figur 1 och 2 visar Svepelektron Mikroskop (SEM) mikrofoton vid 8000X förstoring av ett tvärsnitt av ett a-aluminiumoxidskikt enligt föreliggande uppfinning (Figur 1) och ett Al2O3-skikt en- ligt känd teknik lumnära mikrostrukturen och Figur 2 visar en mer grovkornig och (Figur 2). Figur l visar den karakteristiska ko- likaxlig mikrostruktur typisk för känd teknik.

Figur 3 och 4 visar röntgendiffraktionsmönster för d-Al2O3- skikt utfällt enligt uppfinningen (Figur 3) och enligt känd teknik (Figur 4). ' Figur 5 och 6 visar ljusmikroskop (LOM) mikrofoton av slitna skäreggar av ett belagd skär enligt föreliggande uppfinningen, Fi- gur 5, och enligt känd teknik, Figur 6.

Som en följd av den finkorniga strukturen vinkelrät mot till- växtriktningen av a-aluminiumoxidskiktet enligt uppfinningen får skäreggarna på verktyget en jämn ytfinhet, vilket jämfört med ti- 10 U 20 25 30 35 522 736 digare kända a-Al2O3-belagda verktyg, leder till en bättre ytfin- het även av arbetsstycket som bearbetas.

Det uppfunna a-Al2O3-skiktet kan även innehålla en liten mängd av rester av ett "texturmodifierande medel" vilket kan före- ligga i form av separata korn eller i form av en fast lösning med aluminiumoxidkornen. Koncentrationen av sagda rester kan vara i området 0,01-10, procent av a-aluminiumoxidbeläggningen och mängden av sagda rester företrädesvis 0,01-5 och helst mindre än 1 vikt- är tillräckligt låg för att inte påverka de egentliga egenskaperna hos själva aluminiumoxidbeläggningen. d-Al2O3-skikt enligt föreliggande uppfinning företer en före- dragen kristalltillväxtorientering i [300]-riktningen som bestäms genom röntgendiffraktionsmätningar_ Figur 3 och 4 visar röntgen- diffraktionsmönster för a-A12O3-skikt utfällt enligt uppfinningen (Figur 3) och enligt känd teknik (Figur 4). Den mycket uttalade tillväxtorienteringen i [300]-riktningen är lätt noterad från Fi- gur 3.

En texturkoefficient, TC, kan definieras som: I 1 I -1 TCÜM) = 10mm) G' Zxonmlfi (hkl)-reflexen.

Io(hkl) = standardintensitet enligt ASTM standard powder pat- I(hk1) = uppmätt intensitet för tern diffraction data kort nummer 43-1484. n = antal reflexer använda i beräkningen, (hkl)-reflexer som (012), (104), (110), (113), (024), (116), (300).

Enligt föreliggande uppfinning är TC för sättet av (300)- används är: kristallplan större än 1,5, företrädesvis större än 3 och helst större än 5.

Den utfällda beläggningen på skärverktyget kan förutom det starkt texturerade a-Al2O3-skiktet innehålla åtminstone ett skikt omfattande en karbid, nitrid, karbonitrid, oxykarbid och/eller (Mel, Me2, IVB, VB och VIB i det periodiska systemet eller från gruppen B, Al och Si och/eller blandningar därav, (Mel, Me2, .)CXNyOZ, TiCXNyOz är föredragen. I en föredragen utföringsform är d-Al2O3-skiktet oxykarbonitrid av metallelement .) valt från grupperna enligt föreliggande uppfinning helst det yttersta skiktet i be- läggningen och TiCXNy0z-skiktet är det innersta skiktet i belägg- ningen. Men metall-CXNYOZ-skikt kan även utfällas ovanpå alfa-alu- N U 20 25 30 35 40 522 736 4 miniumoxidskikt(en).I en föredragen utföringsform är det yttersta skiktet ovanpå det yttersta a-Al2O3-skiktet TiN.

Det texturerade a-Al2O3-skiktet enligt uppfinningen utfälls med CVD- (Kemisk Ångavsättning) eller PACVD- (Plasma Kemisk Ångav- sättning) teknik där verktygssubstraten som skall beläggas hålls vid en temperatur 950-1050 OC och bringas i kontakt med en vätebä- rargas innehållande en eller flera halider av aluminium, och ett hydrolyserande och/eller ett oxiderande medel. Oxidationspotentia- len i CVD-reaktoratmosfären före kärnbildningen av Al2O3 hålls på en låg nivå med en koncentration av vattenånga (H20) eller andra oxiderande ämnen såsom C02, O2, etc.., under 5 ppm. Kärnbildningen av a-Al2O3 startas genom introduktion av reaktantgaserna sekventi- ellt så att HCl och CO2 ingår reaktorn först i en Ar- och/eller H2-atmosfär följda av AlCl3. När kärnbildning av d-Al2O3 har ägt rum, tillsättes en svavelkatalysator, företrädesvis H28, till re- aktionsgasblandningen för att erhålla ökad beläggningshastighet.

Det har överraskande visat sig att vid tillsats av en liten mängd av andra metallhalider, såsom ZrCl4 eller HfCl4, till reaktionsgasblandningen under tillväxtperioden för a-Al2O3- skiktet, erhålls en kristallografisk struktur med en mycket kraftig textur i [300]-riktningen. Koncentrationen av den andra haliden, ett så kallat texturmodifierande medel, företrädesvis ZrCl4, helst 0,5-2 volymsprocent av den totala reaktionsgasvolymen. skall vara i intervallet 0,05-10, företrädesvis 0,2-5 och Den uppfunna CVD-metoden beskriven ovan har gjort det möjligt att utfälla a-Al2O3-skikt med en önskad mikrostruktur och oriente- ring och sagda skikt kan växas till en relativt stor tjocklek och överraskande fortfarande bibehålla sina utomordentliga vidhäft- ningsegenskaper till verktygssubstratet såväl som att åstadkomma den önskade förbättringen i slitstyrka för skärverktyget som kom- mer att demonstreras i ett kommande exempel. För att ytterligare förbättra egenskaperna hos det belagda skärverktyget kan ytan även jämnas till med en standardborstningsteknik.

De exakta betingelserna för CVD-processen beror i viss ut- sträckning på utformningen av den utrustning som används. Fackman- nen inom området kan fastställa om den önskade texturen och be- läggningsmorfologin har erhållits och att modifiera kärnbildning och beläggningsbetingelser i enlighet med föreliggande beskriv- ning, om önskas, för att påverka graden av textur och beläggnings- morfologi.

N U 20 25 5622 7 36 EXEMPEL 1 A) Hårdmetallskär med sammansättningen 6,0 vikt-% Co och rest WC belades med ett 3 um tjockt skikt av TiCN i en standard-CVD- process. I följande process steg under samma beläggningscykel ut- fälldes ett 7 um tjockt skikt av a-Al2O3 med metoden beskriven nedan.

En reaktionsgasblandning omfattande H2, HCl och C02 introdu- cerades först i CVD-reaktorn.

Reaktionsgaserna tillsattes sekven- tiellt i angiven ordning. Efter en förutbestämd tid tillsattes AlCl3 till reaktorn. Under beläggningen med Al2O3, användes H25 som en katalysator och ZrCl4 som texturmodifierande medel. Gas- blandningar och andra processbetingelser under Al2O3-belägg- ningsstegen omfattar: Steg 1. Steg 2. coz 5% 5% A1c13 2% 2% zrc14 - 1% H25 - O,3% HCl 2% 6% H2 Rest Rest Tryck 55 mbar 55 mbar Temperatur 1010°C l010°C Tid l timme 3 timmar Röntgendiffraktionsanalys visade en texturkoefficient, TC(300), av 6,2 (medel av tio skär) av den enkla a-fasen av Al2O3- skiktet. SEM-mikrofoton visade ett 7 um tjockt Al2O3-skikt med en uttalad kolumnär kornstruktur som visas i Figur 1.

B) Hårdmetallsubstrat i A) belades med TiCN (3 pm) och Al2O3 (7 um) som beskrivs i A) utom att Al2O3-beläggningsprocessen ut- fördes enligt känd teknik.

Gasblandningar och andra processbetingelser under Al2O3-be- läggningen omfattade: Steg l. Steg 2.

C02 5% 5% A1c13 2% 2% ZrCl4 - - H23 _ O,3% N U 20 25 30 522 736 6 HCl 2% 6% H2 Rest Rest Tryck 55 mbar 55 mbar Temperatur l0l0°C lO10°C Tid l timme 3 timmar Röntgendiffraktionsanalys visade en texturkoefficient, TC(300), Al2O3-skiktet. Röntgendiffraktionsmönstret visas i Figur 4. SEM- av 0,9 (medel av tio skär) av den enkla d-fasen för mikrofoton visade en 7 pm tjock Al2O3-beläggning med en likaxlig kornstruktur som visas i Figur 2.

EXEMPEL 2 Belagda verktygsskär från A) och B) borstades med användning av en standardproduktionsmetod för att jämna till beläggningytan.

Skären provades sedan med avseende på egglinje- och spånsideflag- ning i en svarvoperation, intermittent längdsvarvning av nodulärt gjutjärn (AISI 60-40-18, DIN GGG40), visat sig vara en god måttstock på styrkan av beläggningens vid- ett bearbetningsprov som har häftning.

Skärdata: Hastighet = 250 m/min, Skärdjup = 2,0 mm Matning = 0,2 mm/varv.

Kylmedel användes.

Resultaten är uttryckta i tabellen nedan som procent av egg- linjen i ingrepp för vilken flagning av beläggningen har inträf- fat, och dessutom, spånsideyta utsatt för flagning i förhållande till den totala kontaktytan mellan spånsida och spåna från arbets- stycket. Värdena visade i tabellen nedan är medelvärden för fem provade skäreggar.

Beläggning Egglinjeflagning Spànsideflagning Enligt A 4% Enligt B 53% 62% 522 736 , Figurerna 5 och 6 visar ljusmikroskop (LOM) mikrofoton av slitna skäreggar provade enligt ovan beskriven metod. Figur 5 vi- sar förslitningsmönstret hos ett belagt skär enligt föreliggande uppfinning och Figur 6 visar förslitningsmönstret hos ett belagt skär enligt känd teknik.

Claims (8)

10 U 20 25 30 35 522 736 -;. X . ... KRAV

1. Skärverktyg omfattande en kropp av sintrad hårdmetall, cermet eller keramik och för vilken åtminstone på de verksamma de- larna av ytan av kroppen, en hård och slitstark beläggning är ut- fälld och sagda beläggning omfattar en struktur av ett eller flera refraktära skikt av vilka åtminstone ett skikt består av aluminiu- moxid k ä n n e t e c k n a t av att sagda aluminiumoxidskikt med en tjocklek av 0,5-25 um, företrädesvis 1-10 pm, huvudsakligen be- står av enfasig a-aluminiumoxid texturerad i [300]-riktningen med en texturkoefficient större än 1,5, företrädesvis större än 3, och helst större än 5, varvid texturkoefficienten är definierad som: _ I(hkl) 1_ I(hkl) -1 TcÜlkl) _ Ioulkl) {n ä Io(hkl)} (hkl)-reflexen. standardintensitet enligt ASTM standard powder pat- I(hkl) = uppmätt intensitet för IO(hkl) = tern diffraction data kort nummer 43-1484. n = antal reflexer använda i beräkningen, (hkl)-reflexer som (012), (104), (110), (113), (024), (116), (300) aluminiumoxidskiktet utfälls med CVD, Kemisk Ångavsättning, används är: varvid eller PACVD, Plasma CVD, varvid verktygets yta som skall beläggas bringas i kontakt med en vätebärargas innehållande en eller flera halider av aluminium och ett hydrolyserande och/eller ett oxide- rande medel varvid oxidationspotentialen för CVD-reaktoratmosfären före kärnbildningen av a-aluminiumoxiden hålls vid en låg nivå med en koncentration av vattenånga, H20, eller andra oxiderande ämnen företrädesvis under 5 ppm, kärnbildningen av a-aluminiumoxid star- tas med sekventiell introduktion av reaktantgaser så att HCl och C02 införs i reaktorn först i en H2 och/eller Ar-atmosfär följd av AlCl3, temperaturen hålls vid 950-1050 OC under kärnbildningsperi- oden, under tillväxtperioden av a-Al2O3-skiktet en svavelkatalysa- tor och ett texturmodifierande medel av andra metallhalider än AlCl3 tillsätts i en mängd av 0,05-10 volymprocent, katalysatorn är företrädesvis H25 och det texturmodifierande medlet företrädes- vis ZrCl4 eller HfCl4 eller blandningar därav helst ZrCl4 i inter- vallet 0,2-5 och företrädesvis 0,5-2 volymsprocent av den totala reaktionsgasblandningen.

2. Skärverktyg enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att sagda d-aluminiumoxidskikt innehåller 0,01-10, företrädesvis 0,01- 10 15 20 25 30 35 522 136 :s:fif:ïï.@f-fwßïe 7 5 och helst mindre än l viktsprocent av rester av ett texturmodi- fierande medel.

3. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av åtminstone ett skikt av tjocklek 0,1-10 um, företrädesvis 0,5-5 um, omfattande en nitrid, karbid, karbo- nitrid, oxikarbid och/eller oxikarbonitrid av metallen titan, TiCxNyOZ, och att sagda skikt är i kontakt med a-aluminiumoxid- skiktet.

4. Skärverktyg enligt krav 3 k ä n n e t e c k n a t av att det yttre skiktet är a-aluminiumoxid.

5. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att de yttre skiktet är TiN.

6. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att ytan av det belagda verktyget är tilljämnad med en borstningsoperation.

7. En metod för tillverkning ett belagt skärverktyg, vari åt- av a-aluminiumoxid textu- utfälls med CVD, Kemisk minstone ett refraktärt skikt bestående rerad i [300]-riktningen enligt krav 1, Ångavsättning, eller PACVD, Plasma CVD, varvid verktygets yta som skall beläggas bringas i kontakt med en vätebärargas innehållande en eller flera halider av aluminium och ett hydrolyserande och/el- ler ett oxiderande medel k ä n n e t e c k n a d av att oxida- tionspotentialen för CVD-reaktoratmosfären före kärnbildningen av u-aluminiumoxiden hålls vid en låg nivå med en koncentration av vattenånga, H20, eller andra oxiderande ämnen företrädesvis under 5 ppm, och att kärnbildningen av a-aluminiumoxid startas med sek- ventiell introduktion av reaktantgaser så att HCl och C02 införs i reaktorn först i en H2 och/eller Ar-atmosfär följd av AlCl3, att temperaturen hålls vid 950-1050 OC under kärnbildningsperioden, att under tillväxtperioden av a-Al2O3-skiktet en svavelkatalysator och ett texturmodifierande medel av andra metallhalider än AlCl3 tillsätts i en mängd av 0,05-10 volymprocent, katalysatorn är fö- reträdesvis H25 och det texturmodifierande medlet företrädesvis ZrCl4 eller HfCl4 eller blandningar därav.

8. En metod enligt krav 7 k ä n n e t e c k n a d av att tillsatsen av det texturmodifierande medlet, företrädesvis ZrCl4 till reaktionsgasblandningen skall vara i intervallet 0,2-5 och företrädesvis 0,5-2 volymsprocent av den totala reaktionsgasbland- ningen.