NL8902760A

NL8902760A - Werkwijze voor het aanbrengen van een boorlaag op een stalen substraat en gereedschap voorzien van een boorlaag.

Info

Publication number: NL8902760A
Application number: NL8902760A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1989-11-08
Filing date: 1989-11-08
Publication date: 1991-06-03
Also published as: DE69011278D1; JPH03173771A; EP0427332A1; DE69011278T2; US5164230A; EP0427332B1

Description

T.n.v. N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Werkwijze voor het aanbrengen van een boorlaag op een stalen substraat en gereedschap voorzien van een boorlaag.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het aanbrengen van een boorlaag op een stalen substraat door middel van een CVD-proces.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een gereedschap vervaardigd van staal en voorzien van een boorlaag.

CVD (chemical vapour deposition) is een aantrekkelijke methode voor het bedekken van oppervlakken. Een bekende toepassing is het aanbrengen van beschermende coatings op metaaloppervlakken teneinde deze oppervlakken bestendig te maken tegen bijvoorbeeld slijtage, erosie, corrosie en/of oxidatie. In een CVD-proces wordt een vaste stof op een (meestal) verhit substraatoppervlak neergeslagen als gevolg van een of meer chemische reacties in de gasfase. Deze reacties kunnen optreden op of nabij het substraatoppervlak. De gevormde vaste stof zet zich als coating af op het oppervlak van het substraat. CVD is een veelzijdige methode voor het aanbrengen van coatings van metalen en legeringen, waarbij de samenstelling, structuur, korrelgrootte en zuiverheid van de coatings kunnen worden geregeld. CVD is vooral geschikt voor het aanbrengen van coatings met een uniforme laagdikte op voorwerpen die complex van vorm zijn. Bekende voorbeelden van coatings zijn nitriden, oxiden, carbiden en boriden zoals TiN, AI2O3, SiC en T1B2. Ook elementen zoals boor (B) kunnen met behulp van CVD op een substraat worden aangebracht.

Een werkwijze van de in de aanhef vermelde soort is bekend uit C.F, Powell et al, Vapor Deposition (John Wiley, New York, 1966) pagina 349-350. Boor heeft een aantal aantrekkelijke eigenschappen, zoals hoge hardheid, een hoog smeltpunt, hoge slijtvastheid en goede chemische resistentie. Boor is daarom een goede keuze voor een slijtvaste coating voor diverse stalen gereedschappen. Aangezien boor uit bijvoorbeeld gasvormig diboraan kan worden afgescheiden, kan de reactietemperatuur tijdens het CVD-proces beneden 500°C worden gehouden. Op deze manier kan degradatie van mechanische eigenschappen van het stalen substraat worden voorkomen. Het aanbrengen van boriden, carbiden en nitriden op een substraat middels een CVD-proces vereist een procestemperatuur van 1000°C of hoger, hetgeen de mechanische eigenschappen van het stalen substraat nadelig zal beïnvloeden.

Een nadeel van de bekende werkwijze is dat door de relatief lage reactietemperatuur de hechting van de afgescheiden boorlaag op het stalen substraat slecht is. Een stalen gereedschap voorzien van een dergelijke slecht hechtende boorlaag is voor vele toepassingen onbruikbaar.

De uitvinding beoogt onder meer een werkwijze voor het aanbrengen van een boorlaag op een stalen substraat door middel van een CVD-proces te verschaffen, waarbij bovengenoemd nadeel is opgeheven.

Aan deze opgave wordt volgens de uitvinding voldaan door een werkwijze zoals in de aanhef is beschreven, met het kenmerk, dat aluminium als tussenlaag wordt toegepast. De keuze voor aluminium als tussenlaag in het staal-boorsysteem ligt niet voor de hand indien de materiaaleigenschappen beschouwd worden die bij hechtingsverschijnselen van belang zijn, namelijk de thermische uitzettingscoëfficiênt α en de elasticiteitsmodulus E (zie tabel I).

Tabel I

M2 is een "high speed" gereedschapstaal en bevat naast ijzer 0,9% C, 6% W, 2% V, 5¾ Mo en 3¾ Cr. De verschillen in thermische uitzettings-coëfficiënt veroorzaken aan het grensvlak M2-A1 trekspanningen en aan het grensvlak Al-B drukspanningen. Bovendien is er de discrepantie in elasticiteitsmodulus, welke een negatieve invloed op de hechting heeft omdat de spanningen toenemen met toenemend verschil in elasticiteitsmodulus. Ondanks deze ongunstige materiaaleigenschappen blijkt aluminium een goede hechtingverbeteraar voor boor op staal. Onder staal dient men in dit verband laag- en hooggelegeerde staalsoorten en ijzer te verstaan.

Een geschikte uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding is daardoor gekenmerkt dat de aluminium tussenlaag een dikte heeft van tenminste 100 nm. Beneden deze laagdikte zijn gesputterde of opgedampte aluminiumlagen veelal poreus waardoor geen optimale hechting wordt verkregen. De beste resultaten worden verkregen met een aluminium tussenlaag met een dikte tussen 300 en 500 nm. Indien de aluminium tussenlaag te dik wordt dan treedt in het algemeen een vermindering van de hechting op. Bovendien wordt de hardheid van het systeem B-Al-staal verminderd.

De aluminium tussenlaag kan door sputteren worden aangebracht, waarbij alle bekende manieren van sputteren kunnen worden toegepast, zoals DC-, RF- en magnetronsputteren. Ook door middel van opdampen kan de aluminiumlaag worden aangebracht.

Een andere geschikte methode om de aluminium tussenlaag aan te brengen is de CVD-methode. Een geschikte reaktant voor de depositie van aluminium is hierbij tri-isobutylaluminium, dat in staat is om bij 400°C aluminium af te scheiden. Vooral bij complex gevormde substraatoppervlakken is de CVD-methode aantrekkelijk ter verkrijging van uniforme laagdikten.

Een geschikte uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding is daardoor gekenmerkt dat de laagdikte van de boorlaag tenminste 7 pm bedraagt. Met toenemende laagdikte van de boorlaag neemt de hechting geleidelijk toe, terwijl de hechting vanaf een laagdikte van circa 7 pm constant blijft.

Een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding is daardoor gekenmerkt, dat diboraan (ï^Hg) als gasvormige boorverbinding in het CVD-proces wordt toegepast. Zoals hierboven reeds vermeld is het hiermee mogelijk bij een relatief lage temperatuur van circa 400°C een boorlaag af te zetten op een substraat. De aangebrachte boorlaag blijkt bij Röntgendiffractie-analyse amorf te zijn.

De uitvinding beoogt bovendien onder meer een gereedschap vervaardigd van staal en voorzien van een boorlaag te verschaffen, waarbij de boorlaag een uitstekende hechting heeft op het stalen substraat.

Aan deze opgave wordt volgens de uitvinding voldaan door een gereedschap welke verder is gekenmerkt, doordat tussen het staal en de boorlaag zich een aluminiumlaag met een dikte tussen 300 en 500 nm bevindt. Zoals hierboven reeds vermeld is boor een element met een hoge hardheid, een hoge slijtvastheid en een goede chemische resistentie. De aluminium tussenlaag zorgt voor een uitstekende hechting tussen het stalen substraat en de boorlaag. Een aluminiumlaag met een dikte tussen 300 en 500 nm blijkt hierbij optimaal. Een dikkere aluminiumlaag gaat ten koste van de hardheid van het systeem B-Al-staal. Bij aluminiumlagen met een dikte kleiner dan 300 nm neemt de hechting als regel weer af.

Opgemerkt wordt dat uit het Zwitserse octrooischrift CH 600407 bekend is een aluminium tussenlaag tussen een stalen horlogekast en een metaalboride laag te gebruiken. Het aluminium wordt daarbij met een CVD-proces aangebracht bij een temperatuur van ten minste 850°C. Door deze hoge temperatuur worden de mechanische eigenschappen van het stalen substraat nadelig beïnvloed. Deze methode is daarom ongeschikt voor het aanbrengen van een boorlaag op gereedschappen.

De methode volgens de uitvinding is zeer geschikt voor het aanbrengen van een harde, slijtvaste, chemisch resistente en goed hechtende boorlaag op stalen gereedschappen, zoals bijvoorbeeld matrijzen.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de navolgende uitvoeringsvoorbeelden en aan de hand van de bijgaande figuren, waarin:

Figuur 1 schematisch een doorsnede weergeeft van een stalen substraat, een aluminium tussenlaag en een boorlaag, en

Figuur 2 het verband weergeeft tussen de kritische belasting Lc en de dikte d van de boorlaag gemeten zonder aluminium tussenlaag (I) en met aluminium tussenlaag (II).

Uitvoerinosvoorbeeld 1

Stalen substraten van M2 "high speed" gereedschapstaal met een diameter van 20 mm en een dikte van 4 mm worden aan een oppervlak geslepen tot een oppervlakteruwheid Ra i 0,1 pm. Deze geslepen oppervlakken worden in een DC-magnetron sputterinstallatie met behulp van een aluminium target elk voorzien van een aluminiumlaag met een dikte van respectievelijk 10, 50, 100, 300 en 500 nm. Alvorens deze substraten worden voorzien van een boorlaag, worden de substraten gereinigd door deze achtereenvolgens te poetsen met aceton, vervolgens 15 minuten ultrasoon te reinigen in aceton en daarna te drogen met stikstof.

De depositie van de boorlaag vindt plaats in een lage-druk, hete-wand buisreactor (fabrikant Tempress). De substraten worden in deze reactor gebracht, waarna ze in een waterstof atmosfeer tot 400°C worden opgewarmd. Boorlagen worden verkregen door in de reactor een mengsel van diboraan en waterstof (5 vol.% B2Hg) te leiden met een flow van 500 sccm. Depositie van de boorlagen vindt plaats bij 400°C en een totale druk van 2 mbar. Onder deze omstandigheden bedraagt de depositiesnelheid 2,5 ym per uur. Er worden boorlagen aangebracht met laagdikten tussen 1 en 11 ym.

De hechting van de aangebrachte boorlaag wordt gemeten met een krastestapparaat (van Laboratoire Suisse de Recherches Horlogères). Dit apparaat bevat een Rockwell C diamantnaald met een punt waarvan de straal 200 ym bedraagt. De belasting wordt lineair opgevoerd met 10 N per mm tot maximaal 60 N. De minimale belasting waarbij de boorlaag van het substraat lost wordt de kritische belasting Lc genoemd. Deze Lc-waarde wordt met een optische microscoop vastgesteld.

De micro-hardheid van de aangebrachte boorlaag wordt bepaald met een Leco DM-400 FT hardheidsmeter, die voorzien is van een Knoop indrukdiamant. De gebruikte punt wordt hierbij gedurende 15 seconden op de boorlaag aangebracht, waarbij de gebruikte belasting zodanig wordt gekozen dat de indringdiepte maximaal 10 % van de boorlaagdikte bedraagt.

Laagdikten worden gemeten met optische microscopie of scanning electronenmicroscopie.

In figuur 1 is met verwijzingscijfer 1 schematisch een stalen substraat weergegeven. Hierop bevindt zich een aluminium tussenlaag 3 en een boorlaag 5.

In figuur 2 is de kritische belasting Lc als functie van de boorlaagdikte d weergegeven. De meetwaarden weergegeven met een driehoek (Δ) zijn monsters welke geen aluminium tussenlaag bevatten.

Deze meetwaarden liggen rondom een lijn I. De monsters welke een aluminium tussenlaag met een laagdikte van respectievelijk 10, 50 en 100 nm bezitten, vertonen eveneens meetwaarden rondom deze lijn I. Een toename van de boorlaagdikte d veroorzaakt een toename van de kritische belasting Lc. Dit wordt veroorzaakt door het feit dat voor een gegeven coating-substraat configuratie de hechting steeds hetzelfde is, zodat bij dikkere coatings een hogere Lc-waarde nodig is om dezelfde deforraatiegraad aan het grensvlak coating-substraat te verkrijgen. In figuur 2 zijn met een cirkel (O) meetwaarden aangegeven van monsters met een aluminium tussenlaag met een dikte van 300 nm; met een vierkant (a) zijn meetwaarden weergegeven van monsters met een aluminium tussenlaag met een dikte van 500 nm. De meetwaarden liggen rondom een curve II. In deze gevallen wordt een stijging in de Lc-waarden waargenomen tot 40 N. Bij een boorlaagdikte van 6 a 7 pm treedt een sterke stijging op van de Lc~waarde bij toepassing van aluminium tussenlagen met laagdikten van 300 en 500 nm. Bij grotere boorlaagdikten blijft de hechting op een constante waarde van 40 N. Een toename van de aluminium-laagdikte van 300 tot 500 nm heeft geen verdere toename van de hechting tot gevolg.

Knoop hardheidsmetingen staan weergegeven in tabel II. De metingen zijn uitgevoerd met monsters waarvan de boorlaagdikte 6 pm bedraagt. De hardheden zijn gemeten met een belasting van 50 gram. Zoals in de tabel is te zien, heeft de zachte aluminium tussenlaag geen invloed op de gemeten hardheid.

TABEL II

Uit röntgendiffractie-analyse blijken de gevormde boorlagen amorf te zijn. üitvoerinasvoorbeeld 2

Uitvoeringsvoorbeeld 1 wordt herhaald met substraten van 1C45 staal. Deze staalsoort bevat naast ijzer 0,45 % C. De verkregen Lc-waarden hebben dezelfde waarden als die verkregen met M2 staal.

Claims

1. Werkwijze voor het aanbrengen van een boorlaag op een stalen substraat door middel van een CVD-proces, met het kenmerk, dat aluminium als tussenlaag wordt toegepast.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de aluminium tussenlaag een dikte heeft van tenminste 100 nm.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de aluminium tussenlaag een dikte heeft tussen 300 en 500 nm.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de aluminium tussenlaag door middel van sputteren wordt aangebracht.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de aluminium tussenlaag door middel van een CVD-proces wordt aangebracht.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat tri-isobutylaluminium als gasvormige aluminium-verbinding in het CVD-proces wordt toegepast.

7. Werkwijze volgens conclusie 1, 2, 3, 4, 5 of 6, met het kenmerk, dat de laagdikte van de boorlaag tenminste 7 pm bedraagt.

8. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat diboraan als gasvormige boorverbinding in het CVD-proces wordt toegepast.

9. Gereedschap vervaardigd van staal en voorzien van een boorlaag, met het kenmerk, dat tussen het staal en de boorlaag zich een aluminiumlaag met een dikte tussen 300 en 500 nm bevindt.