CZ306745B6 - Způsob nanášení otěruvzdorných vrstev na bázi bóru a otěruvzdorná vrstva - Google Patents
Způsob nanášení otěruvzdorných vrstev na bázi bóru a otěruvzdorná vrstva Download PDFInfo
- Publication number
- CZ306745B6 CZ306745B6 CZ2016-61A CZ201661A CZ306745B6 CZ 306745 B6 CZ306745 B6 CZ 306745B6 CZ 201661 A CZ201661 A CZ 201661A CZ 306745 B6 CZ306745 B6 CZ 306745B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- boron
- cathode
- abrasion
- magnetron sputtering
- layer
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 46
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 34
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 34
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 title claims abstract description 23
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 47
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 32
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims abstract description 6
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 22
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 17
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 16
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910052774 Proactinium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 25
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 12
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 67
- 235000019589 hardness Nutrition 0.000 description 9
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 9
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 6
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 5
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 4
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 4
- 230000036316 preload Effects 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010038 TiAl Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910010060 TiBN Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 238000009740 moulding (composite fabrication) Methods 0.000 description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 2
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011005 laboratory method Methods 0.000 description 1
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000005268 plasma chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Způsob nanášení otěruvzdorných vrstev na bázi bóru na substráty metodou PVD, přičemž nanášení probíhá ve vakuové komoře současně z nejméně dvou katod, z nichž jedna pracuje v režimu nefiltrovaného nízkonapěťového oblouku a druhá v režimu magnetronového naprašování. Vrstvy jsou vybrány ze skupiny tvořené multivrstvami TiN/BN, CrN/BN, TiCrN/BN, AlTiN/BN, AlCrN/BN, AlTiCrN/BN a nanášení se provádí v atmosféře s obsahem dusíku, jehož parciální tlak je 0,1 až 10 Pa. Alespoň jedna katoda, pracující v režimu nefiltrovaného nízkonapěťového oblouku, obsahuje přechodový kov ze skupiny IVB až VIB periodické tabulky nebo hliník (Al) a alespoň jedna další katoda, pracující v režimu magnetronového naprašování, obsahuje nejméně 50 % at. bóru (B), kde do tohoto obsahu se nezapočítává dusík (N) obsažený v katodě.
Description
Způsob nanášení otěruvzdorných vrstev na bázi bóru a otěruvzdorná vrstva
Oblast techniky
Vynález se týká způsobu nanášení otěruvzdorných vrstev na bázi bóru na substráty metodou PVD, přičemž nanášení probíhá ve vakuové komoře současně z nejméně dvou katod, z nichž jedna pracuje v režimu nefiltrovaného nízkonapěťového oblouku a druhá v režimu magnetronového naprašování. A dále se vynález týká takové otěruvzdomé vrstvy.
Dosavadní stav techniky
Pro nanášení otěruvzdorných se vedle CVD metod (chemical vapour deposition) vyžívají zejména metody fyzikální depozice z plynné fáze, označované zkratkou PVD (Physical Vapor Deposition), které zahrnují vakuové naparování, magnetronové naprašování (nereaktivní nebo reaktivní).
Nanášení otěruvzdorných vrstev metodou PVD probíhá ve vakuové komoře. Před samotným nanášením vrstev se v komoře sníží tlak, komora se v závislosti na materiálu nástrojů vyhřeje na příslušnou teplotu, nanese se adhezní vrstva a potom se nanáší otěruvzdorná vrstva.
Nejvýkonnější materiál v oblasti řezných aplikací je jednoznačně kubický nitrid bóru, který se připravuje podobně jako diamant vysokotlakou syntézou. Tento materiál má nejen extrémně vysokou tvrdost, ale na rozdíl od diamantu je vhodný pro obrábění železa a jeho slitin, což tvoří více než 90 % řezných aplikací.
Vzhledem k vysoké ceně řezných nástrojů na bázi kubického nitridu bóru vyráběných vysokotlakou syntézou je snaha připravit tento materiál podobně ve formě povlaku. Vrstvy na bázi kubického nitridu bóru jsou již více než 20 let ve fázi vývoje. Přestože jsou popsány laboratorní metody přípravy těchto materiálů ve formě povlaků (například US 005723188 A Proces for Producing Layers of Cubic Boron Nitride), k jejich většímu rozšíření do praxe zatím nedošlo.
Alternativní cestou přípravy vrstev podobných vlastností jsou multivrstvy a nanokompozitní vrstvy typu TiN/BN s vyšším obsahem B, kde B je vázán především na N. Titan může být obecně ve vrstvě nahrazen přechodovým kovem (Ti, Cr, V, Zr, ...), případně s přídavkem Al či Si. Příprava těchto typů povlaků je technologicky jednodušší, navíc mohou alternativně sloužit jako přechodová vrstva pro přípravu vrstev čistého nitridu bóru.
Existuje technologie přípravy podobných typů vrstev pomocí magnetronového naprašování (viz například: Surface and Coating Technology, 86-87 (1996) 231-236; Tribological behaviour of homogeneous Ti-B-N, Ti-B-N-C and TiN/h-BN/TiB2 multilayer coatings; T.P. Mollart, J. Haupt, R. Gilmore, W. Gissler; Institutefor Advanced Materials, Joint Research Centre of the Commission; nebo Powder Metallurgy and Metal Ceramics, Vol. 52, Nos. 1-2, May, 2013 (Russian Originál Vol. 52, Nos. 1-2, Jan.-Feb., 2013); STRUCTURAL AND MECHAN1CAL PROPERTIES OF TIN/BCN COATINGS; P. L. Skrinskii, A. I. Kuzmichev, V. I. Ivashchenko, L. A. Ivashchenko, I. I. Timofeeva, O. O. Butenko, O. Yu. Khizhun, T. V. Tomila, and S. N. Dub). Tyto vrstvy se připravují při nízkém parciálním tlaku dusíku s vysokou tvrdostí ve formě povlaku typu TiBN, kde B je vázaný především na Ti, nikoli na N. Tyto vrstvy se vyznačují nízkou chemickou stabilitou. Pokud se v procesu zvýší parciální tlak reakční atmosféry dusíku, dojde k dekompozici systému na TiN a BN - tedy ke tvorbě vrstvy typu TiN/BN. U magnetronového naprašování dochází v tomto případě bez výjimky k výraznému snížení tvrdosti. Vrstva TiN vyžaduje u této technologie pro kvalitní růst nízký přesně definovaný parciální tlak dusíku. Se zvýšením tlaku se zhorší kvalita vrstvy TiN (sníží se její vnitřní stres a tvrdost). Za vyššího tlaku nelze tedy pomocí magnetronu vytvořit vrstvu TiN/BN s vyšším vnitřním stresem, který je
- i CL 306745 B6 nezbytný pro růst BN ve tvrdé kubické fázi (viz například Thin Solid Films 518 (2009) 1443— 1450; Cubic boron nitride bascd mctastable coatings and nanocomposites; Sven Ulrich, Jian Ye, Michael Stříber, Carlos Ziebert). Pomocí magnetronového naprašování nelze tedy připravit vrstvu typu TiN/BN s vyšší tvrdostí.
Podobně je jako v případě magnetronového naprašování jsou na tom vrstvy vytvářené odpařováním pomocí elektronového svazku, tzv. e-beam (viz například Surface and Coating Technology, 54/55 (1992) 255-256; Ti-B-N coatings deposited by magnetron are evaporation; M. Tamura and H. Kubo; Advanced Materials and Těch. Res. Labs. Nippon Steel Corporation, 1618 Ida. io Nakahara-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa 211; Japan).
Existují způsoby přípravy metodou PACVD (viz například Surface and Coatings Technology 163-164; 2003; 149-156; Superhard nc-TiNya-BN and nc-TiNya-TiBxya-BN coatings prepared by plasma CVD and PVD: a comparative study of their properties; P. Karvankova, M.G.J.
Veprek-Heijman, O. Zindulka, A. Bergmaier, S. Veprek), kde zdroj bóru je plyn. Způsoby přípravy vrstev pomocí metody PACVD jsou obecně technologicky náročnější a ve všech uvedených případech se jedná o vrstvy připravené na laboratorních zařízeních. Nedošlo k rozšíření přípravy těchto vrstev do praxe ani touto metodou.
Existují metody přípravy těchto typů vrstev pomocí nízkonapěťového oblouku (viz například: Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials 28; 2010; 23-31; Wear-resistant Ti-B-N nanocomposite coatings synthesized by reactive cathodic are evaporation; Jórg Neidhardt, Zsolt Czigány, Bernhard Sartory, Richard Tessadri, Christian Miťterer). Výhoda nízkonapěťového oblouku spočívá v tom, že touto metodou lze připravit kvalitní vrstvu v širokém rozmezí parciál25 ního tlaku dusíku. Nevýhoda této metody spočívá v tom, že materiály s vyšším obsahem bóru jsou křehké a v místě hoření oblouku se vlivem tepelného stresu trhají a na povrch vzorků se dostávají velké kusy materiálu (až 100 pm), které se zabudovávají do povlaku. Některé materiály, jako např. B4C, se obloukem prakticky odpařovat nedají (kusy jsou až 1 mm veliké). Důsledkem je vysoká drsnost povlaku. Tvrdosti vrstev typu TiN/BN připravené touto metodou jsou vyšší, 30 než je tomu v případě depozice pomocí magnetronového naprašování, ale stále pod hodnotou, které jsme dosáhli naší metodou.
Z českého patentu CZ 304 905 je znám způsob nanášení otěruvzdomých vrstev metodou PVD, kdy se vrstva nanáší současně z alespoň dvou katod, z nichž jedna pracuje v režimu nefiltrované35 ho nízkonapěťového oblouku a druhá v režimu magnetronového naprašování. Řízení procesních parametrů v tomto případě bylo prováděno standardním způsobem pro magnetronové naprašování, kdy je potřeba zabránit tzv. otrávení povrchu magnetronového targetu dusíkem - tedy za velmi nízkých parciálních tlaků dusíku. Patent je zaměřený na přípravu klasických typů povlaků jako TiAIN, TiN apod. a neřeší přípravu vrstev s obsahem bóru. Popsané řešení nelze jednoduše 40 aplikovat při nanášení vrstev s obsahem bóru, kde je bór vázán přednostně na dusík.
V publikaci Wear 265 (2008) 741-755; Deposition and characterization of hybrid filtered arc/magnetron multilayer nanocomposite cermet coatings for advanced tribological aplications; V. I. Gorokovsky, C. Bowman, P. E. Gannon, D. Van Vorous, A. A. Voevodin, C. Muratore, Z.
S. Kang, J. J. Hu je popsána metoda přípravy kombinovaným nanášením pomocí filtrovaného nízkonapěťového oblouku a magnetronu. V tomto případě byla vrstva typu TiBN připravována pouze jako přechodová vrstva bez optimalizace parametrů s ohledem na složení vrstvy a její tvrdost. Metoda filtrovaného nízkonapěťového oblouku má nevýhodu v tom, že pro její optimální účinnost je vyžadován co nejnižší celkový tlak, a tedy i parciální tlak dusíku. V důsledku nižšího 50 parciálního tlaku dusíku nedochází ke tvorbě vrstvy typu TiN/BN/ s přímými vazbami mezi bórem a dusíkem. Další nevýhoda této technologie je výrazně nižší rychlost růstu.
Úkolem vynálezu je modifikovat známé způsoby nanášení otěruvzdomých vrstev metodou PVD tak, aby jej bylo možné použít při nanášení vrstev na bázi bóru.
CZ 306745 Β6
Podstata vynálezu
Nedostatky stavu techniky odstraňuje způsob nanášení otěruvzdorných vrstev na bázi bóru na substráty metodou PVD, přičemž nanášení probíhá ve vakuové komoře současně z nejméně dvou katod, z nichž jedna pracuje v režimu 30 nefiltrovaného nízkonapěťového oblouku a druhá v režimu magnetronového naprašování, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že vrstvy jsou vybrány ze skupiny tvořené multivrstvami TiN/BN, CrN/BN, TiCrN/BN, AlTiN/BN, AICrN/BN, AlTiCrN/BN a nanášení se provádí v atmosféře s obsahem dusíku, jehož parciální tlak je 0,1 až 10 Pa, a alespoň jedna katoda, pracující v režimu nefiltrovaného nízkonapěťového oblouku, obsahuje přechodový kov ze skupiny IVB-VIB periodické tabulky nebo hliník (AI) a alespoň jedna další katoda, pracující v režimu magnetronového naprašování, obsahuje nejméně 50 % at. bóru (B), kde do tohoto obsahu se nezapočítává dusík (N) obsažený v katodě.
Podle výhodného provedení je parciální tlak 0,2 až 2 Pa.
Výhodou způsobu podle vynálezu je, že lze připravovat tvrdé vrstvy typu TiN/BN, kde B je vázán především na dusík. Vrstvy připravené tímto způsobem mají vysokou tvrdost v širokém pásmu obsahu B od 5 do 20 % at.
Výhodou způsobu podle vynálezu je, že během jednoho procesu je možné připravovat vrstvy s různou stechiometrií (s různým obsahem B).
Výhodou způsobu podle vynálezu je, že umožňuje vrstvy nanášet na provozním zařízení.
Podle výhodného provedení je katoda, pracující v režimu nefiltrovaného nízkonapěťového oblouku, a/nebo katoda, pracující v režimu magnetronového naprašování, cylindrická rotační katoda.
Podle dalšího výhodného provedení je katoda, pracující v režimu nefiltrovaného nízkonapěťového oblouku, tvořena materiálem obsahujícím nejméně 50 % at. titanu (Ti), s výhodou nejméně 80 % at. titanu (Ti).
Podle dalšího výhodného provedení je katoda, pracující v režimu magnetronového naprašování, tvořena materiálem obsahujícím nejméně 63 % at. karbidu bóru (B4C).
Podle ještě dalšího výhodného provedení je katoda, pracující v režimu magnetronového naprašování, tvořena materiálem obsahujícím nejméně 75 % at. boridu titanu (TiB2).
Nedostatky stavu techniky odstraňuje také otěruvzdorná vrstva na bázi bóru, zhotovená způsobem podle vynálezu.
Podle výhodného provedení alespoň jedna část otěruvzdorné vrstvy obsahuje přechodový kov ze skupiny IVB až VIB nebo hliník nebo jejich kombinaci, dále pak dusík a bor, přičemž obsah boru je 3 až 30 at. % a bor je vázán alespoň z 50 % na dusík. Zbylý bor ve vrstvě je vázán jakkoli, to znamená, že může být vázán také na dusík, sám na sebe nebo na jakýkoli jiný prvek. Jde o to, že alespoň v části vrstvy je většina boru vázána na dusík. V případě kombinace s titanem se např. zbylý bor může vázat na bor nebo na titan.
Podle dalšího výhodného provedení je část otěruvzdorné vrstvy tvořena multivrstevnou strukturou s periodou menší než 20 nm, s výhodou menší než 5 nm.
Podle dalšího výhodného provedení je multivrstevná struktura tvořena střídáním dvou typů vrstev, přičemž jeden typ je tvořen vrstvou složenou převážně z BN a druhý typ je tvořen převážně nitridem kovů ze skupiny IVB až VIB nebo hliníku nebo jejich kombinace.
- A
Je výhodné, když je uvedeným nitridem kovů TiN.
Podle dalšího výhodného provedení má uvedená část vrstvy mikrotvrdost podle Vickerse v rozsahu 40 až 60 GPa.
Příklady uskutečnění vynálezu
Způsob nanášení otěruvzdomých vrstev na bázi bóru na substráty metodou PVD, probíhá ve li) vakuové komoře současně z nejméně dvou cylindrických rotačních 30 katod, z nichž jedna pracuje v režimu nefiltrovaného nízkonapěťového oblouku a druhá v režimu magnetronového naprašování.
Materiál z kovových katod je nanášen na substráty (například nástroje) v dusíkové atmosféře.
Substráty v komoře vykonávají rotační pohyb pro dosažení rovnoměrného nanesení vrstvy.
Jako katody se u popisovaných příkladů provedení používají tři rotující válcové katody, umístěné ve dveřích vakuové komory a jedna centrální rotující válcová katoda, umístěná ve středu komory. 20 Schéma takového zařízení je znázorněno například v CZ 304 905.
Před vlastním nanášením povlaku proběhne obecně známá procedura:
- naložení substrátů do komory
- evakuace komory,
- ohřev substrátů v komoře na 500 °C,
- po dosažení vhodné teploty a tlaku iontové čistění substrátů.
Po ukončení iontového čistění následuje nanášení vlastní otěruvzdorné vrstvy. Nanášení se pro30 vádí v atmosféře s obsahem dusíku, jehož parciální tlak je nejméně 0,1 Pa.
V blízkosti Ti, resp. Cr, resp. TiAl katod se nanáší obloukem vrstva TiN, resp. CrN, resp. TiAIN a v blízkosti B4C katody se nanáší magnetronem vrstva BN (s malým obsahem C). Vytvářené vrstvy jsou díky rotaci vzorků tvořeny multivrstevným systémem TiN-BN, resp. CrN-BN.
Rychlost rotace vzorků byla nastavena tak, aby výsledná perioda vrstvy byla menší než 5 nm.
Příklad 1: Vrstva TiN-TiBN-BN
Zdroj pro nanášení vrstvy nízkonapěťovým obloukem je osazený katodou Ti.
Zdroj pro nanášení vrstvy magnetronovým naprašováním je osazený katodou B4C.
Krok 1: nanášení 1 pm monovrstvy TiN ze zdroje nízkonapěťového oblouku
Parametry kroku:
- proud do oblouku 150 A,
- tlak dusíku 2 Pa,
- předpětí na vzorcích 50 V,
-doba nanášení 2 h.
Krok 2: Nanášení 0,5μιτι gradientní vrstvy TiN -> TiN/BN současným nanášením ze zdroje nízkonapěťového oblouku a ze zdroje magnetronového naprašování
Parametry gradientního kroku:
- proudu do oblouku 150 A,
- výkon magnetronu plynule roste z 0 na 5 kW,
- tlak dusíku 1 Pa,
- předpětí na vzorcích 100 V,
- doba nanášení 30 min.
Krok 3: Nanášení lpm multivrstvy TiN/BN
- udržují se parametry procesu konstantní a stejné jako na konci kroku 2 po dobu 45 min.
Krok 4: Nanášení 0,5pm gradientní multivrstvy TiN/BN-»BN
- Po dobu 30 min ve čtvrtém kroku se snižuje proud do oblouku na hodnotu 50 A a postupně zvedá výkon zdroje magnetronového naprašování na hodnotu 10 kW, současně se zvedá napětí na hodnotu 40 V, tlak se snižuje na 0,5 Pa.
Krok 5: Nanášení lpm monovrstvy BN
- vypne se zdroj nízkonapěťového oblouku, nanášení probíhá pouze ze zdroje magnetronového naprašování,
- výkon magnetronu 10 kW,
- tlak dusíku 0,5 Pa,
- předpětí na vzorcích 400 V,
- doba nanášení 1 h.
Příklad 2: Vrstva TiAIN-TiBN
Jeden zdroj pro nanášení vrstvy nízkonapěťovým obloukem je osazený katodou Ti.
Druhý zdroj pro nanášení vrstvy nízkonapěťovým obloukem je osazený katodou TiAI.
Zdroj pro nanášení vrstvy magnetronovým naprašováním je osazený katodou B4C.
Krok 1: Nanášení 1 pm monovrstvy TiAIN ze zdroje nízkonapěťového oblouku z katody TiAI
Parametry kroku:
- proud do oblouku 150 A,
- tlak dusíku 2 Pa,
- předpětí na vzorcích 50 V,
- doba nanášení 2 h.
Krok 2: Nanášení 0,2μιη gradientní vrstvy TiAIN->TiN ze zdrojů nízkonapěťových oblouků
Parametry kroku:
- proud nízkonapěťového oblouku na katodě TiAl se plynule snižuje ze 150 na 50 A,
- proud nízkonapěťového oblouku na katodě Ti se plynule zvyšuje z 50 na 150 A,
- tlak dusíku plynule klesá z hodnoty 2 Pa na hodnotu 1 Pa,
- předpětí na vzorcích 50 V, io -doba nanášení 15 min.
Krok 3: Nanášení I pm gradientní multivrstvy TiN->TiN/BN současným nanášením pomocí nízkonapěťového oblouku z katody Ti a pomocí zdroje magnetronového naprašování z katody B4C. Gradientní multivrstva vzniká tak, že vzorky jsou periodicky povlakovány z magnetronové 15 katody a z obloukové katody v závislosti na okamžité poloze vzorků během jejich rotace v komoře. Přičemž parametry nanášení ze zdroje nízkonapěťového oblouku nebo ze zdroje magnetronového naprašování se během procesu mění.
Parametry kroku:
- proudu do oblouku se plynule snižuje ze 150 na 100 A,
- výkon magnetronu plynule roste z 0 na 10 kW,
- tlak dusíku klesá z 1 na 0,5 Pa,
- předpětí na vzorcích roste z 50 na 250 V
- doba nanášení 1 h.
Příklad 3: Vrstva CrN-BN
Zdroj pro nanášení vrstvy nízkonapěťovým obloukem je osazený katodou Cr.
Zdroj pro nanášení vrstvy magnetronovým naprašováním je osazený katodou B4C.
Krok 1: Nanášení 0,5pm monovrstvy CrN ze zdroje nízkonapěťového oblouku
Parametry kroku:
- proud do oblouku 150 A,
- tlak dusíku 2 Pa,
- předpětí na vzorcích 100 V,
- doba nanášení 30 min.
Krok 2: Nanášení 0,5pm gradientní vrstvy CrN -> BN současným nanášením ze zdroje nízkonapěťového oblouku a ze zdroje magnetronového naprašování
Parametry gradientního kroku:
- proudu do oblouku snižuje ze 150 na 50 A,
- výkon magnetronu plynule roste z 0 na 10 kW,
- tlak dusíku postupně klesá z 1 na 0,5 Pa, z;
- předpětí na vzorcích postupně roste ze 100 na 300 V,
- doba nanášení 30 min.
Krok 3: Nanášení 2μιη monovrstvy BN
- vypne se zdroj nízkonapěťového oblouku, nanášení probíhá pouze ze zdroje magnetronového naprašování.
Parametry kroku:
- výkon magnetronu 10 kW,
- tlak dusíku 0,5 Pa,
- předpětí na vzorcích 400 V,
- doba nanášení 2 h.
Pro depozici dostatečně tvrdých vrstev je důležité, aby celková perioda multivrstvy byla pod 5 nm, protože pro vyšší hodnoty dochází k výraznému snížení tvrdosti. S rostoucí tloušťkou vrstvy BN se ztrácí vnitřní stres a dochází k jejímu překlopení do hexagonální fáze.
Část otěruvzdomé vrstvy, zhotovené podle příkladu 1 a popsané v kroku 3, obsahuje titan, dále pak dusík a bor, přičemž obsah boru je 10 at. % a bor je vázán z 60 % na dusík. Zbylý bor je vázán na bor nebo titan. Zároveň je tato část tvořena multivrstevnou strukturou s periodou 5 nm. Tato multivrstevná struktura je tvořena střídáním dvou typů vrstev, přičemž jeden typ je tvořen vrstvou složenou převážně z BN a druhý typ je tvořen TiN. Její mikrotvrdost podle Vickerse je 55 GPa.
Vrstva zhotovená způsobem podle vynálezu je vhodná pro použití jako otěruvzdomá vrstva na řezné, střižné a tvářecí nástroje, případně jako funkční vrstva na součástkách, kde je vyžadovaná vysoká životnost a nízký koeficient frikce, jako ložiska, pístní kroužky spalovacího motoru, ozubených kol apod.
Claims (10)
1. Způsob nanášení otěruvzdorných vrstev na bázi bóru na substráty metodou PVD, přičemž nanášení probíhá ve vakuové komoře současně z nejméně dvou katod, z nichž jedna pracuje v režimu nefiltrovaného nízkonapěťového oblouku a druhá v režimu magnetronového naprašování, vyznačující se tím, že vrstvy jsou vybrány ze skupiny tvořené multivrstvami TiN/BN, CrN/BN, TiCrN/BN, AlTiN/BN, AICrN/BN, AITiCrN/BN a nanášení se provádí v atmosféře s obsahem dusíku, jehož parciální tlak je 0,1 až 10 Pa, a alespoň jedna katoda, pracující v režimu nefiltrovaného nízkonapěťového oblouku, obsahuje přechodový kov ze skupiny 1VB až VIB periodické tabulky nebo hliník (Al) a alespoň jedna další katoda, pracující v režimu magnetronového naprašování, obsahuje nejméně 50 % at. bóru (B), kde do tohoto obsahu se nezapočítává dusík (N) obsažený v katodě.
2. Způsob podle nároku 1, vy z n a č uj í c í se t í m , že parciální tlak je 0,2 až 2 Pa.
3. Způsob podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že katoda, pracující v režimu nefiltrovaného nízkonapěťového oblouku, a/nebo katoda, pracující v režimu magnetronového naprašování, je cylindrická rotační katoda.
- 7 CZ 306745 B6
4. Způsob podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že katoda, pracující v režimu nefiltrovaného nízkonapěťového oblouku, je tvořena materiálem obsahujícím nejméně 50 % at. titanu (Ti), s výhodou nejméně 80 % at. titanu (Ti).
5 5. Způsob podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že katoda, pracující v režimu magnetronového naprašování, je tvořena materiálem obsahujícím nejméně 63 % at. karbidu bóru (B4C).
6. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že katoda, pracuio jící v režimu magnetronového naprašování, je tvořena materiálem obsahujícím nejméně 75 % at.
boridu titanu (TiB2).
7. Otěruvzdomá vrstva na bázi bóru, zhotovená způsobem podle kteréhokoliv z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že alespoň jedna její část obsahuje přechodový kov ze skupiny
15 IVB až VIB nebo hliník nebo jejich kombinaci, dále pak dusík a bor, přičemž obsah boru je 3 až
30 at. % a bor je vázán alespoň z 50 % na dusík, přičemž uvedená část vrstvy je tvořena multivrstevnou strukturou s periodou menší než 20 nm a uvedená část vrstvy má mikrotvrdost podle Vickerse v rozsahu 40 až 60 GPa.
20
8. Otěruvzdomá vrstva podle nároku 7, vyznačující se tím, že uvedená část vrstvy je tvořena multivrstevnou strukturou s periodou menší než 5 nm.
9. Otěruvzdomá vrstva podle nároku 8, vyznačující se tím, že multivrstevná struktura je tvořena střídáním dvou typů vrstev, přičemž jeden typ je tvořen vrstvou složenou převážně
25 z BN a druhý typ je tvořen převážně nitridem kovů ze skupiny IVB až VIB nebo hliníku nebo jejich kombinace.
10. Otěruvzdomá vrstva podle nároku 9, vyznačující se tím, že uvedeným nitridem kovů je TiN.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2016-61A CZ201661A3 (cs) | 2016-02-05 | 2016-02-05 | Způsob nanášení otěruvzdorných vrstev na bázi bóru a otěruvzdorná vrstva |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2016-61A CZ201661A3 (cs) | 2016-02-05 | 2016-02-05 | Způsob nanášení otěruvzdorných vrstev na bázi bóru a otěruvzdorná vrstva |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ306745B6 true CZ306745B6 (cs) | 2017-06-07 |
| CZ201661A3 CZ201661A3 (cs) | 2017-06-07 |
Family
ID=59021142
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2016-61A CZ201661A3 (cs) | 2016-02-05 | 2016-02-05 | Způsob nanášení otěruvzdorných vrstev na bázi bóru a otěruvzdorná vrstva |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ201661A3 (cs) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111850483A (zh) * | 2020-07-22 | 2020-10-30 | 常州夸克涂层科技有限公司 | 一种多层梯度硬质涂层及其制备工艺 |
| CZ309606B6 (cs) * | 2021-12-15 | 2023-05-10 | Fyzikální Ústav Av Čr, V. V. I. | Způsob vytváření pulzního magnetronového výboje společně s obloukovým odpařováním |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4407274C1 (de) * | 1994-03-04 | 1995-03-30 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten Schichten aus kubischem Bornitrid und ihre Anwendung |
| CZ293777B6 (cs) * | 1999-03-24 | 2004-07-14 | Shm, S. R. O. | Otěruvzdorný povlak |
| EP2123789A1 (en) * | 2008-05-15 | 2009-11-25 | Eifeler Werkzeuge GmbH | A method of producing hard coatings |
| EP2653583A1 (de) * | 2012-04-20 | 2013-10-23 | Sulzer Metaplas GmbH | Beschichtungsverfahren zur Abscheidung eines Schichtsystems auf einem Substrat, sowie Substrat mit einem Schichtsystem |
| CZ304905B6 (cs) * | 2009-11-23 | 2015-01-14 | Shm, S.R.O. | Způsob vytváření PVD vrstev s pomocí rotační cylindrické katody a zařízení k provádění tohoto způsobu |
| EP3018233A1 (de) * | 2014-11-05 | 2016-05-11 | Walter Ag | Schneidwerkzeug mit mehrlagiger PVD-Beschichtung |
-
2016
- 2016-02-05 CZ CZ2016-61A patent/CZ201661A3/cs unknown
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4407274C1 (de) * | 1994-03-04 | 1995-03-30 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten Schichten aus kubischem Bornitrid und ihre Anwendung |
| CZ293777B6 (cs) * | 1999-03-24 | 2004-07-14 | Shm, S. R. O. | Otěruvzdorný povlak |
| EP2123789A1 (en) * | 2008-05-15 | 2009-11-25 | Eifeler Werkzeuge GmbH | A method of producing hard coatings |
| CZ304905B6 (cs) * | 2009-11-23 | 2015-01-14 | Shm, S.R.O. | Způsob vytváření PVD vrstev s pomocí rotační cylindrické katody a zařízení k provádění tohoto způsobu |
| EP2653583A1 (de) * | 2012-04-20 | 2013-10-23 | Sulzer Metaplas GmbH | Beschichtungsverfahren zur Abscheidung eines Schichtsystems auf einem Substrat, sowie Substrat mit einem Schichtsystem |
| EP3018233A1 (de) * | 2014-11-05 | 2016-05-11 | Walter Ag | Schneidwerkzeug mit mehrlagiger PVD-Beschichtung |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| (Nano-multilayered CrN/BCN coating for anti-wear and low friction applications; K. Yamamoto, H. Ito, S. Kujime; Surface & Coatings Technology, Vol. 201, No. 9-11, ISSN: 0257-8972) 01.06.2015 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111850483A (zh) * | 2020-07-22 | 2020-10-30 | 常州夸克涂层科技有限公司 | 一种多层梯度硬质涂层及其制备工艺 |
| CZ309606B6 (cs) * | 2021-12-15 | 2023-05-10 | Fyzikální Ústav Av Čr, V. V. I. | Způsob vytváření pulzního magnetronového výboje společně s obloukovým odpařováním |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ201661A3 (cs) | 2017-06-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102812149B (zh) | 涂覆的切削工具 | |
| Roos et al. | Interrelationship between processing, coatingproperties and functional properties of steered arc physically vapour deposited (Ti, AI) N and (Ti, Nb) N coatings | |
| CN104131256B (zh) | 一种多层纳米复合刀具涂层及其制备方法 | |
| CN102080207B (zh) | 一种DLC/TiAlN/CrN/Cr多层超硬膜涂层及其制备方法 | |
| Kim et al. | Deposition of superhard TiAlSiN thin films by cathodic arc plasma deposition | |
| RU2694401C2 (ru) | Новый способ получения цементированного карбида и получаемый при его помощи продукт | |
| EP2815000B1 (en) | Coated cutting tool and method of making the same | |
| CN100529157C (zh) | 硬涂层,形成硬涂层用的靶和形成硬涂层的方法 | |
| JP7112330B2 (ja) | 基材上に硬質材料層を製造するための方法、硬質材料層、切削工具及び被膜源 | |
| EP2446066A1 (en) | Nanolaminated coated cutting tool | |
| CN107190229B (zh) | 一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层及其制备方法 | |
| WO2009151386A8 (en) | Coated cutting tool for metal cutting applications generating high temperatures | |
| JP6842233B2 (ja) | コーティングされた切削工具、及びコーティングされた切削工具の製造方法 | |
| JP7382124B2 (ja) | 改良されたコーティングプロセス | |
| Nordin et al. | Growth characteristics of multilayered physical vapour deposited TiN/TaNx on high speed steel substrate | |
| RU2405060C1 (ru) | ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ НА ОСНОВЕ (TixAlyCrz)N | |
| Nordin et al. | Deposition and characterisation of multilayered PVD TiN/CrN coatings on cemented carbide | |
| CN107190233A (zh) | 一种具有超高硬度的Si掺杂纳米复合涂层的制备工艺 | |
| Henderer et al. | Hybrid TiSiN, CrC/C PVD coatings applied to cutting tools | |
| RU2759458C1 (ru) | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИ СТАБИЛЬНОГО ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ (варианты) | |
| Rebholz et al. | The effect of boron additions on the tribological behaviour of TiN coatings produced by electron-beam evaporative PVD | |
| JP5293330B2 (ja) | 表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具 | |
| CZ306745B6 (cs) | Způsob nanášení otěruvzdorných vrstev na bázi bóru a otěruvzdorná vrstva | |
| Forn et al. | Mechanical and tribological properties of TiCxN1− x wear resistant coatings | |
| Keunecke et al. | Boron containing combination tool coatings—characterization and application tests |