FI71773C - Process for preparing titanium nitride coating with gas phase process. - Google Patents

Process for preparing titanium nitride coating with gas phase process. Download PDF

Info

Publication number
FI71773C
FI71773C FI844642A FI844642A FI71773C FI 71773 C FI71773 C FI 71773C FI 844642 A FI844642 A FI 844642A FI 844642 A FI844642 A FI 844642A FI 71773 C FI71773 C FI 71773C
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
coating
titanium nitride
gas phase
tin
heat treatment
Prior art date
Application number
FI844642A
Other languages
Finnish (fi)
Swedish (sv)
Other versions
FI844642A0 (en
FI71773B (en
FI844642L (en
Inventor
Raimo Allan Raety
Original Assignee
Raimo Allan Raedyn Perikunta P
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Raimo Allan Raedyn Perikunta P filed Critical Raimo Allan Raedyn Perikunta P
Priority to FI844642A priority Critical patent/FI71773C/en
Publication of FI844642A0 publication Critical patent/FI844642A0/en
Publication of FI844642L publication Critical patent/FI844642L/en
Publication of FI71773B publication Critical patent/FI71773B/en
Application granted granted Critical
Publication of FI71773C publication Critical patent/FI71773C/en

Links

Landscapes

  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Description

1 71773 MENETELMÄ TITAANINITRIDIPINNOITTEEN VALMISTAMISEKSI KAASU-FAASIMENETELMÄLLÄ1 71773 METHOD OF PREPARING A TITANIUM NITRIDE COATING BY THE GAS PHASE METHOD

Keksinnön kohteena on menetelmä titaaninitridipinnoitteen valmistamiseksi kaasufaasimenetelmällä. Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan olennaisesti parantaa TiN-pinnoitteen ominaisuuksia.The invention relates to a process for producing a titanium nitride coating by a gas phase process. The method according to the invention can substantially improve the properties of the TiN coating.

Kaasu faasipinnoitusmenetel mät ovat viime aikoina yleistyneet nopeasti. Pinnoitus voi tapahtua joko fysikaalisesti tyhjössä, jolloin puhutaan PVD-menetelmistä (PVD = physical vapour deposition) tai kemiallisesti korkean lämpötilan avulla, jolloin puhutaan CVD-mene-telmästä (chemical vapour deposition).Gas phase coating processes have recently become widespread. The coating can take place either physically in a vacuum, in which case PVD (physical vapor deposition) methods are used, or chemically at high temperature, in which case a CVD method (chemical vapor deposition) is used.

PVD-menetelmällä voidaan pinnoitus toteuttaa kolmella eri tavalla, jotka ovat sputterointi, ionipinnoitus ja korkeavakuumihöyrytys. Näidem menetelmien suorittamisesta saa yleiskuvan esimerkiksi Suomen Metalliteollisuuden Keskusliiton Teknisestä tiedotteesta no 29/82.The PVD method can be used for coating in three different ways, which are sputtering, ion coating and high vacuum evaporation. An overview of the performance of these methods can be found, for example, in Technical Bulletin No. 29/82 of the Confederation of Finnish Metal Industry.

CVD-menetelmässä muodostetaan pinnoite kaasumaisesta lähtöaineesta kemiallisen reaktion avulla. Menetelmällä pystytään muodostamaan sellaisia pinnoitteita, joilla on sekä hyvä korroosionkestävyys että hyvä kulumiskestävyys. Myös CVD-menetelmästä on esitetty yleistietoja em. tiedotteessa 29/82.In the CVD process, a coating is formed from a gaseous feedstock by a chemical reaction. The method is able to form coatings that have both good corrosion resistance and good wear resistance. General information on the CVD method is also presented in the above-mentioned bulletin 29/82.

Eräs pinnoitusteknologian suotuisia käyttökohteita ovat perinteisesti olleet työkalut, joiden ominaisuuksia pinnoittamalla voidaan olennaisesti parantaa. Titaaninitridipinnoite lisää esimerkiksi lastuavien työkalujen kestoiän 3-5 kertaiseksi pinnoittamattomaan pikaterästyökaluun verrattaessa. Muovaus- ja muokkaustyökaluissa parannus on joissakin olosuhteissa vieläkin suurempi. Pinnoitus vähentää myös aihion ja työkalun välistä tahmautumista ja siten työkalun hiontatarvetta tuotannon aikana.One of the favorable applications of coating technology has traditionally been tools, the properties of which can be substantially improved by coating. The titanium nitride coating, for example, increases the service life of cutting tools by 3-5 times compared to an uncoated high-speed steel tool. In molding and editing tools, the improvement is even greater in some circumstances. The coating also reduces the sticking between the blank and the tool and thus the need to grind the tool during production.

Vaikka pinnoitteilla onkin paljon hyviä ominaisuuksia, liittyy niihin vielä joukko haitallisia piirteitä. Esim. CVD-menetelmällä pinnoitettaessa muuttuvat kappaleen dimensiot ja mittatarkkojen tuotteiden tekeminen on vaikeaa. Vähänkin vaativammassa sovellutuksissa täytyy dime-nsioiden muutokset ottaa yleensä etukäteen 71773 huomioon. CVD-menetelmän työlämpötila on niin korkea, jopa 1000°C, että esim. työkaluteräksiä pinnoitettaessa vaaditaan pinnoituksen jälkeen vielä normaali karkaisukäsittely (karkaisuhehkutus, sammutus ja 2-3 päästöä).Although coatings have many good properties, they still have a number of detrimental features. For example, when coating with the CVD method, the dimensions of the part change and it is difficult to make dimensionally accurate products. In even more demanding applications, dimensional changes usually need to be considered in advance 71773. The working temperature of the CVD method is so high, up to 1000 ° C, that for example when coating tool steels, normal hardening treatment (hardening annealing, quenching and 2-3 emissions) is still required after coating.

PVD-menetelmällä pinnoitettaessa sen sijaan voidaan valmistaa kappaleet siten, että mitat käytännön sovellutusten kannalta pysyvät muuttumattomina. Prosessi on kuitenkin epästabiilimpi ja vaikeammin hallittavissa kuin CVD-prosessi, minkä takia pinnoitteen laatu muodostuu usein epätasaiseksi.When coated with the PVD method, on the other hand, it is possible to manufacture parts in such a way that the dimensions remain unchanged for practical applications. However, the process is more unstable and more difficult to control than the CVD process, which often results in uneven coating quality.

Pinnoitteiden sovellutusmahdollisuudet ovat lähes rajattomat.The application possibilities of the coatings are almost limitless.

Uusina sovellutuskohteina voidaan mainita esim. kelloteollisuus, jonka TiN-pinnoitetut "kultakellot" ovat jopa parempia kuin aidot. Kehitystä hidastaa kuitenkin se, ettei pinnoitekalvojen ominaisuuksia tunneta riittävän tarkasti.New applications include the watch industry, whose TiN-coated "Gold Watches" are even better than genuine ones. However, development is slowed down by the fact that the properties of the coating films are not known with sufficient precision.

Eräs ratkaisu ionipinnoitusmenetelmän parantamiseksi on esitetty suomalaisessa patenttijulkaisussa no 66.656 (C 23 C 11/08), missä pinnoitteen tasalaatuisuutta ehdotetaan parannettavaksi höyrytys-lähteen eteen asetetulla varjostimella, sekä kaasujen johtamisella useampireikäisestä suulakkeesta höyrytyslähteen läheisyydessä.One solution for improving the ion coating method is presented in Finnish Patent Publication No. 66.656 (C 23 C 11/08), where it is proposed to improve the uniformity of the coating by a shade placed in front of the vapor source and by conducting gases from a multi-hole nozzle in the vicinity of the vapor source.

Keksinnön mukainen lähestymistapa on toinen, sillä keksinnön mukaisen menetelmän perustietous on saatu tutkimalla huolellisesti pinnoitteen rakennetta, mitä aikaisemmin ei ole perusteellisesti tehty. Rakennetutkimusten jälkeenjääneisyyteen vaikuttaa ainakin kaksi seikkaa: prosessikehitys on kokeilemalla edennyt nopeasti ja tulokset ovat olleet niiin hyviä, ettei pakottavaa tarvetta yksityiskohtaiseen rakennetutkimukseen ole ollut; toisaalta tyypillisesti muutamien mikronien paksuisten, pohjamateriaalissa lujasti kiinni olevien kalvojen tutkiminen on erittäin vaikeaa ja edellyttää uuden tutkimustekniikan kehittämistä.The approach according to the invention is another, because the basic knowledge of the method according to the invention has been obtained by carefully examining the structure of the coating, which has not been done thoroughly before. There are at least two factors behind the backwardness of structural research: process development has progressed rapidly through experimentation and the results have been so good that there has been no compelling need for detailed structural research; on the other hand, the study of typically a few microns thick films firmly attached to the base material is very difficult and requires the development of a new research technique.

Rakennetutkimuksissa on selvitetty, että plasmassa syntyvä PVD-pin-noite muodostuu matastabiilin tasapainon mukaan. Metastabiilissa tasapainossa ovat typpipitoinen -Ti ja tetragoninen TiN, mitä alkaa muodostua titaanin typpipitoisuuden noustua 48-50 at.%:iin. Tasapainossa titaani voi liuottaa typpeä korkeintaan 20 at.%.Structural studies have shown that the PVD coating formed in plasma is formed according to a matastable equilibrium. In the metastable equilibrium are the nitrogen-containing Ti and the tetragonal TiN, which begin to form as the titanium nitrogen content rises to 48-50 at.%. In equilibrium, titanium can dissolve nitrogen up to 20 at.%.

3 717733,71773

Tasapainoyhdisteen ovat kuutiollinen TiN sekä Ti^N. Typpipitoisuuden ollessa korkea, on muodostuva metastabiili rakenne erittäin hienorakeista, 50-100 A, mutta ei amorfista, kuten kirjallisuudessa virheellisesti esitetään.The equilibrium compounds are cubic TiN as well as Ti ^ N. With a high nitrogen content, the resulting metastable structure is very fine-grained, 50-100 Å, but not amorphous, as erroneously reported in the literature.

Pinnoituksessa muodostunut metastabiili rakenne alkaa pinnoituksen aikana hajaantua typpipitoisuudesta riippuen erilaisiksi tasapainorakenteiksi (rt-Ti (20 at.% N), Ti^N ja kuutiollinen TiN, mikäli pinnoitettavan kappaleen lämpötila on riittävän korkea, so. yli 500 Celsius-astetta. Hajaantuminen on kuitenkin erittäin hidasta eikä johda normaalissa pinnoituksessa lähellekään tasapainoa.The metastable structure formed in the coating begins to decompose during the coating into different equilibrium structures (rt-Ti (20 at.% N), Ti ^ N and cubic TiN depending on the nitrogen content, if the temperature of the body to be coated is sufficiently high, i.e. above 500 degrees Celsius. very slow and does not lead to near equilibrium in normal coating.

Tutkimuksissa on selvitetty, että oleellisesti nyt käytössä olevia parempaan pinnoitteeseen päästään säätämällä prosessia niin, että muodostuvan pinnoitteen typpipitoisuus on 30-60 at.%, edullisimmillaan 35-40 at.%, sekä hajottamalla muodostunut metastabiili, suhteellisen pehmeä o<-Ti erillisessä lämpökäsittelyssä Ti2N:ksi tai Ti2N:n ja TiN:n seokseksi, typpipitoisuudesta riippuen.Studies have shown that substantially better coatings now in use are obtained by adjusting the process so that the resulting coating has a nitrogen content of 30-60 at.%, Most preferably 35-40 at.%, And by decomposing the formed metastable, relatively soft o <-Ti in a separate heat treatment Ti2N or a mixture of Ti2N and TiN, depending on the nitrogen content.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle tunnusomaiset piirteet on -esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa.The characteristic features of the method according to the invention are set out in the appended claims.

Keksinnön mukaan valmistettu pinnoitus on väriltään lyijynharmaa, sen kovuudeksi saadaan HK 7000, mikä tosin on jo timanttikärjellä luotettavasti mitattavissa olevia kovuusarvoja suurempi (kullanväriset TiN-pinnoitteet HK 3000-4000) ja sen kestävyys on työtesteissä ollut noin 2-5 kertainen parhaisiin kaupallisiiin PVD-menetelmällä tehtyihin TiN-pinnoitteisiin verrattuna. Lämpökäsittelyn ansiosta pinnoitetun pikateräksen iskusitkeys on myös pysynyt normaalina, eikä konventionaalisen TiN-pinnoituksen aiheuttamaa pikateräksen iskusitkeyden romahdusmaista laskua ole esiintynyt. Lämpökäsitellyn pinnoitteen kiinnipysyvyys pohjamateriaalissa on myös hyvä: Vickers-kärjellä suoritetussa raapaisutestissä normaalin TiN-pin-noitteen kiinnipysyvyys on kriittisenä kuormana mitaten 15-25 g (sekä PVD- että CVD-menetelmä), kun lämpökäsitellylle Ti2N (+TiN)-pinnoitteelle saadaan arvoja 150-200 g. Osittain kiinnipysyvyyden paraneminen aiheutuu titaan initridikaivoon ja perusmateriaalin pintaan muodostuneiden jännitysten laukeamisesta.The coating made according to the invention is lead gray in color, its hardness is HK 7000, which is higher than the hardness values reliably measurable with a diamond tip (gold-colored TiN coatings HK 3000-4000) and its durability in working tests has been about 2-5 times that of the best commercial PVD method. compared to TiN coatings made. Due to the heat treatment, the impact toughness of the coated high-speed steel has also remained normal, and there has been no collapse-like decrease in the impact toughness of the high-speed steel caused by conventional TiN coating. The adhesion of the heat-treated coating in the base material is also good: In the Vickers tip scratch test, the adhesion of the normal TiN coating is 15-25 g (both PVD and CVD method) as a critical load when a value of 150 is obtained for the heat-treated Ti2N (+ TiN) coating. -200 g. The improvement in partial adhesion is due to the release of stresses in the titanium initrid well and the surface of the base material.

7177371773

Seuraavassa esitetään eräs keksinnön mukainen lämpökäsittely pää-pi i rte i ssään.The following is an example of a heat treatment according to the invention.

Valmis kappale pinnoitetaan PVD-menetelmäl1ä. Pinnoituksen jälkeen suoritetaan teräksen pehmenemislämpötilan alapuolella usean tunnin, tyypillisesti A — 12 tunnin, hehkutus sopivassa suojakaasussa, esimerkiksi argonissa. Kappale jäähdytetään joko ilmassa tai sopivassa sammutusväliaineessa.The finished part is coated by the PVD method. After coating, below the softening temperature of the steel, annealing is carried out for several hours, typically A to 12 hours, in a suitable shielding gas, for example argon. The body is cooled either in air or in a suitable extinguishing medium.

Pinnoitus ja sitä seuraava päästö voidaan vaihtoehtoisesti myös yhdistää teräksen normaaliin lämpökäsittelyyn. Tällöin esim. pika-terästyökaluilla voidaan pinnoitus suorittaa toisen päästön jälkeen. Pinnoitteen lämpökäsittely tapahtuu tällöin kolmannen päästön yhteydessä. Käsittelyyn soveltuvat kaikki tavalliset uunit, joissa voidaan normaalisti käyttää suojakaasua, esim. retortti- tai kammiouu-n i t.Alternatively, the coating and subsequent emission can also be combined with the normal heat treatment of the steel. In this case, for example with high-speed steel tools, the coating can be carried out after the second release. The heat treatment of the coating then takes place in connection with the third release. All conventional furnaces in which a shielding gas can normally be used are suitable for the treatment, e.g. retort or chamber furnaces.

Edellä kuvatun käsittelyn edulliset vaikutukset eivät rajoitu pika-terästyökalujen pinnoittamiseen, vaan myöskin pinnoitettaessa kova-metalli työkalu j a titaaninitridipinnoitteella voidaan pinnoitteen ominaisuuksia huomattavasti parantaa edellä kuvatulla lämpökäsittelyllä .The advantageous effects of the treatment described above are not limited to the coating of high-speed steel tools, but also when coating with a hard metal tool and a titanium nitride coating, the properties of the coating can be considerably improved by the heat treatment described above.

Claims (2)

5 PATENTTIVAATIMUKSET 7177 35 PATENT CLAIMS 7177 3 1. Menetelmä teräksen tai kovametallin pinnoittamiseksi titaaninit-ridillä kaasufaasimenetelmällä, tunnettu siitä, että pin-noitusprosessi säädetään siten, että pinnoitteen typpipitoisuudeksi tulee 30-60 at.%, edullisesti 35-40 at.%, ja että muodostunut metastabiili t^-Ti hajotetaan erillisessä lämpökäsittelyssä typpipitoisuudesta riippuen Ti^Niksi tai Ti^Nm ja TiN:n seokseksi.A method for coating steel or carbide with titanium nitride by the gas phase method, characterized in that the coating process is controlled so that the nitrogen content of the coating becomes 30-60 at.%, Preferably 35-40 at.%, And the formed metastable t ^ -Ti is decomposed in a separate heat treatment depending on the nitrogen content, Ti 2 N or a mixture of Ti 2 Nm and TiN. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukaisen menetelmä tunnettu siitä, että terästä olevan perusaineen lämpökäsittely suoritetaan teräksen pehmenemislämpötilan alapuolella hehkuttamalla useita tunteja, tyypillisesti 4-12 tuntia, sopivassa suojakaasussa ja suorittamalla jäähdytys ilmassa tai sopivassa sammutusväliaineessa.A method according to claim 1, characterized in that the heat treatment of the steel base material is carried out below the softening temperature of the steel by annealing for several hours, typically 4-12 hours, in a suitable shielding gas and cooling in air or a suitable extinguishing medium.
FI844642A 1984-11-27 1984-11-27 Process for preparing titanium nitride coating with gas phase process. FI71773C (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI844642A FI71773C (en) 1984-11-27 1984-11-27 Process for preparing titanium nitride coating with gas phase process.

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI844642A FI71773C (en) 1984-11-27 1984-11-27 Process for preparing titanium nitride coating with gas phase process.
FI844642 1984-11-27

Publications (4)

Publication Number Publication Date
FI844642A0 FI844642A0 (en) 1984-11-27
FI844642L FI844642L (en) 1986-05-28
FI71773B FI71773B (en) 1986-10-31
FI71773C true FI71773C (en) 1987-02-09

Family

ID=8519964

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI844642A FI71773C (en) 1984-11-27 1984-11-27 Process for preparing titanium nitride coating with gas phase process.

Country Status (1)

Country Link
FI (1) FI71773C (en)

Also Published As

Publication number Publication date
FI844642A0 (en) 1984-11-27
FI71773B (en) 1986-10-31
FI844642L (en) 1986-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0242100B1 (en) Coated article and method of producing same
US5318840A (en) Wear resistant coating films and their coated articles
EP0583853B1 (en) A process for the production of a surface-coated cemented carbide
US4741975A (en) Erosion-resistant coating system
US4931152A (en) Method for imparting erosion-resistance to metallic substrate
EP2287359A1 (en) Coated cutting tool insert
FI71773C (en) Process for preparing titanium nitride coating with gas phase process.
JPH09300105A (en) Throw-away insert of surface coated super-hard alloy
JP2941260B1 (en) Titanium metal watch exterior parts and surface treatment method
JP3236899B2 (en) Manufacturing method of surface coated tungsten carbide based cemented carbide cutting tool with excellent wear and fracture resistance
JP3638332B2 (en) Coated hard alloy
JP2773092B2 (en) Surface coated steel products
JPH04221057A (en) Formation of wear resistant hard coating film
JP3358696B2 (en) High strength coating
SU1087566A1 (en) Method for improving products of structural steels
JPS5918475B2 (en) coated high speed steel
KR100541322B1 (en) Hard Thin Film Coatings Having Oxidation Resistance in High Temperature and its Manufacturing Method
US20220243318A1 (en) Coated forming tools with enhanced performance and increased service life
JPS60108204A (en) Ceramic tool for high-speed cutting
JPH06330352A (en) Coated cemented carbide member and its production
SU779435A1 (en) Composition for complex chemical thermal treatment of infusible tool
JPH0726386A (en) Hard coating film having excellent oxidation and wear resistance
Vancoille et al. Mechanical properties of TiN,(Ti, Al) N,(Ti, Nb) N and Ti (C, N) coatings measured by nanoindentation
JP2746505B2 (en) Ceramic coated member and method of manufacturing the same
KR100379581B1 (en) Coating materials of high toughness for a cutting tool/an abrasion resistance tool

Legal Events

Date Code Title Description
MM Patent lapsed

Owner name: EAM-INSTITUTE OY