SE518145C2 - Multiskiktbelagt skärverktyg - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 35 518145 2/ stånd, kohesion och vidhäftning till det underliggande substratet kan variera beroende på den speciella PVD-metoden som valts. En förbättring av slitstyrka eller eggintegritet för ett PVD-belagt skärverktyg som används i en specifik maskinbearbetningsoperation kan sålunda genomföras genom att optimera en eller flera av de ovannämnda egenskaperna. Dessutom har nyutvecklingar av de existe- rande PVD-teknikerna genom, till exempel, introduktion av obalan- serade magnetroner i reaktiv sputtering (S. Kadlec, J. Musil och W.-D. Munz i J. Vac. Techn. A8(3), (1990), 1318.) licerande av en styrd och/eller filtrerad båge i katodisk båg- Sci. eller app- förångning (H. Curtins i Surface and Coatings Technology, 76/77, (1995), 632 och K. Akari et al i Surface and Coatings Technology, 43/44, (1990), 312.) ningsprocessen och en ytterligare förbättring av de egentliga resulterat i en bättre styrning av belägg- egenskaperna hos beläggningsmaterialet.

Konventionella skärverktygsmaterial såsom hårdmetall består av åtminstone en hård metallisk förening och en bindefas, vanligtvis kobolt framkarbid (Co), där kornstorleken hos den hårda föreningen, t ex vol- (WC), sagt förbättrade verktygsegenskaper i slitstyrka, ligger i 1-5 pm området. Nyutvecklingar har förut- slaghållfasthet, varmhårdhet vid användning av verktygsmaterial baserade på ultra- fina mikrostrukturer med användning av nanostruktur-WC-Co pulver (L.E. McCandlish, B.H. Kear och B.K. Kim, 1 pp. 119-124, 1992). gelser har gjorts för keramiska verktygsmaterial vid till exempel som råmaterial i Nano- structured Materials Vol. Liknande förutsä- användning av kiselnitrid/karbid-baserad (Si3N4/SiC) nanokomposit- keramik och, för Al2O3-baserad keramik, ekvivalenta nanokompositer baserade på aluminiumoxid.

Med hårda nitrid- eller karbidbeläggningsmaterial av nanokom- posit, förstås en multiskiktbeläggning där tjockleken av varje in- dividuellt nitrid- (eller karbid-) let, 3-100 nm eller företrädesvis 3-20 nm. Eftersom en viss perio- skikt är i nanometerinterval- dicitet eller upprepningsperiod av t ex en metallnitridskiktföljd är påkallad, har dessa nanoskaliga multiskiktbeläggningar getts det generiska namnet supergitter-skikt. Med repetitionsperioden menas tjockleken av två närliggande metallnitridskikt d v s med olika metallelement i subskikten. Åtskilliga beläggningar av me- tallnitridsupergitter med metallelementet valt från Ti, Nb, V och Ta, utfällda på både enkel- och polykristallina substrat har visat 10 15 20 25 30 35 40 518145 3 en förbättrad hårdhet för en viss repetitionsperiod vanligtvis i området 3-10 nm.

Enligt föreliggande uppfinning föreligger ett skärverktyg om- kera- fattande en kropp av en hård legering av hårdmetall, kermet, mik eller snabbstål, ovanpå vilken en slitstark multiskiktbelägg- ning har utfällts. Mera speciellt omfattar det belagda verktyget ett substrat av sintrad hårdmetall eller en kermet, företrädesvis av åtminstone en metallkarbid i en metallbindefas, eller en kera- misk kropp. Substratet kan även omfatta en snabbstålslegering.

Sagda substrat kan även vara förbelagt med ett tunt enkel- eller multiskikt av TiN, TiC, TiCN eller TiAlN med en tjocklek i mikro- meterintervallet enligt känd teknik. Det belagda skärverktyget en- ligt föreliggande uppfinning företer förbättrade slitstyrke- och seghetsegenskaper jämfört med tidigare kända verktyg vid använd- ning för maskinbearbetning av stål eller gjutjärn och, rostfritt stål. särskilt, Sagda beläggning, som är väl vidhäftande till sub- multiskiktstruktur av metallnitrider med en tjocklek av 0.5 till 20 pm, helst 2 till 6 um. I den binära, multiskiktbeläggningsstrukturen 1) MX/NX/MX/NX/MX/NX/MX/NX/ . . . . . . . .., Omfattar de alter- nerande skikten MX och NX metalnitrider med metallelementen M och (Ti) och tantal (Ta). I sagda beläggning finns ingen repetitionsperiod. Följden av enskilda MX och NX skikt har tjocklekar som är aperiodiska väsentligen genom hela multiskikt- stratet, omfattar en laminär, företrädesvis l till 10 pm, (se Fig.

N valda från titan strukturen. Dessutom är den minsta enskilda skikttjockleken större än 0.1 nm men mindre än 30 nm, företrädesvis mindre än 20 nm.

Tjockleken av ett enskilt skikt beror inte på tjockleken av ett enskilt skikt omedelbart under, ej heller har den någon relation till ett enskilt skikt ovanför sagda enskilda skikt. I motsats till supergitter är det i den uppfunna aperiodiska skiktstrukturen ingen upprepningsperiod med vilken menas tjockleken efter vilken strukturen återupprepar sig.

I Fig l visas ett substrat l belagt med en laminär, multi- skiktbeläggning 2 med de individuella binära metallnitridskikten MX 3 och NX 4 och som exempel enskild skikttjocklek 5 där följden av enskilda skikttjocklekar är väsentligen aperiodisk genom hela multiskiktbeläggningen.

De laminära beläggningarna ovan uppvisar ett kolumnärt till- växtsätt utan eller med mycket liten porositet vid korngränserna.

Beläggningarna har även en väsentlig vågighet i subskikten som lO 15 20 25 30 35 518145 »1 härstammar från substratets ytstruktur.

(TEM) följden av skikttjocklekar upprepar sig inte med relativt skarpa Högförstorande transmis- sionselektronmikroskopi antyder en aperiodisk struktur d v s gränser mellan två följande enskilda skikt.

För ett skärverktyg använt i metallbearbetning, fås åtskilliga fördelar med föreliggande uppfinning med beläggningar av nano- strukturlameller utfällda på substrat av hårda, refraktära mate- kermets och keramik. T ex i en binär nitridlamellbeläggning MX/NX/MX/NX/ gen hårdheten hos beläggningen förbättrad över de individuella en- rial såsom hårdmetall, på hårdmetall, är vanli- kelskikten av MX och/eller NX med en skikttjocklek på en um skala, samtidigt som den inre spänningen numeriskt är mindre. Den första observationen, förbättrad hårdhet i beläggningen, leder till en ökad abrasiv slitstyrka hos skäreggen medan den andra observatio- nen numeriskt mindre inre spänning i beläggningen, ger en ökad förmåga att absorbera spänningar pà skäreggen under en maskinbear- betningsoperation.

De laminära, nanostrukturbeläggningarna kan utfällas på ett hårdmetall-, kermet-, med CVD- eller PVD-teknik, företrädesvis med PVD-teknik, genom att keramik- eller snabbstålsubstrat antingen successivt bilda individuella subskikt med ångutfällning i en va- kuumkammare. Den aperiodiska följden av enskilda skikttjocklekar kan tillverkas genom att slumpvis öppna och stänga bländare från enskilda skiktkällor eller genom att slumpvis starta och stoppa sagda källor. En annan möjlig metod är genom att slumpvis rotera framför eller röra de verktyg som skall beläggas, substraten, sagda källor. Elektronstråleförångning, magnetronsputtering eller katodisk bàgföràngning eller kombinationer därav, är de föredragna PVD-metoderna för deponering av nanostrukturbeläggningarna.

Exempel 1 Aperiodiska multiskikt utfälldes med reaktiv PVD-magnetron (WC-l0w%Co).

Den två sputterkällorna bestod av ren Ti och TiAl legering, sputtring på gängsvarvskär tillverkade av hårdmetall re- spektive, och sputtringen utfördes i en Ar/N2 gasblandning. Den och bestod av ett TiN/TiAlN-multiskikt med en följd av enskilda lamellskikt med en aperiodisk, d V s, resulterande totala beläggningstjockleken var 3.0 pm, ickerepetitiv tjocklek. Undersökning i transmissionselektronmikroskopi av ett tvärsnitt visade att de en- 5185145 skilda nitridskiktens tjocklekar varierade från 0.1 till 20 nm, och det totala antalet skikt överskred 400.

I en gängsvarvningsoperation befanns det att flankslitstyrkan, i själva verket verktygets livslängd, förbättrades märkbart jäm- fört med enkelskiktbeläggningar av både TiN och TiAlN med samma totala tjocklekar som multiskiktet.

Claims (3)

lO 15 518 ¿4s Krav

1. Skärverktyg omfattande en kropp av hàrdmetall, kermet, ke- ramik eller snabbstål på vilken, åtminstone på de verksamma delar- na av ytan därav, är anbringad en tunn, vidhäftande, hård och slitstark beläggning omfattande en polykristallin, skiktstruktur MX/NX/MX/NX/MX.... och NX är sammansatta av metallnitrider där varje individuellt skikt MX eller NX är 0.1-30 nm och den totala tjockleken av multi- skiktstrukturen är 0.5-20 pm k ä n n e t e c k n a t av att tjock- laminär multi- där de alternerande skikten MX leken av de individuella skikten MX och NX varierar aperiodiskt genom hela multiskiktstrukturen samt att metallelementen i de al- ternerande skikten MX och NX är Ti resp Ta.

2. Skärverktyg enligt föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att tjockleken av de individuella skikten är 1-20 nm, företrädesvis 2-13 nm.

3. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att beläggningen har en total tjocklek av l-10 pm, företrädesvis 2-6 um.