SE502223C2 - Sätt och alster vid beläggning av ett skärande verktyg med ett aluminiumoxidskikt - Google Patents

Description

40 2 4,0l8,631, 4,490,l9l och 4,463,033. Dessa patent beskriver oxidbelagda kroppar och hur olika förbehandlingar t.ex. av TiC- belagd härdmetall, förbättrar vidhäftningen av det därefter de- ponerade oxidskiktet. Aluminiumoxidbelagda kroppar är dessutom beskrivna i U.S. Pat. No. 3,736,lO7 och EPO No. 0 403 461 och O 408 535 varvid Al2O3-skikten omfattar a-, K- resp a-/K- kombi- nationer.

Smith US 4,619,866 beskriver en metod att framställa snabb- växande Al2O3-skikt genom att använda en hydrolysreaktion av en metallhalid under inverkan av ett dopämne t.ex vätesulfid (H28) in haltomrädet 0.01-0.2 % vid en CVD-beläggningstemperatur 1000-1050°C. Under dessa processvillkor produceras väsentligen tva faser av A12O3, alfa och kappa fasen. Den resulterande beläggningen bestàr av en blandning av mindre kappa korn och större alfa korn. Processen ger beläggningar med en jämn skikt- tjockleksfördelning runt den belagda kroppen.

Svenska patentansökan 9101953-9 beskriver en metod att växa en finkornig K-aluminiumoxid beläggning.

I svenska patentansökan 9203852-O är en metod beskriven för att erhàlla en finkornig a-aluminiumoxidbeläggning med (012) textur. Denna speciella Al2O3-beläggning pá hàrdmetall verktyg har befunnits särskilt användbar för gjutjärnsbearbetning.

Svenska patentansökan 9304283-6 beskriver en kropp med en beläggning omfattande ett eller flera refraktära skikt av vilka àtminstone ett skikt är ett skikt av a-Al2O3 med textur i (110) riktningen. Aluminiumoxidskiktet är väsentligen fritt fran kylsprickor och omfatta plattformiga korn med en längd av 2-8 pm och ett längd/bredd förhållande av 1 - 10.

Föremalet för föreliggande uppfinning är, sàlunda, att be- lägga pá ett hart substrat eller företrädesvis pà förutnämnda TiCxNy0z_beläggning åtminstone ett enfas-Al2O3-skikt av a-poly- morf med en önskad mikrostruktur och kristallografisk textur med användning av lämpliga kärnbildnings- och tillväxt-beting- elser sådana att sagda egenskaper hos Al2O3-skiktet är stabili- serade. ' Det är ett ytterligare ändamäl med uppfinningen att förse ett aluminiumoxidbelagt skär med förbättrat skärbeteende i stal, rostfritt stal, gjutjärn särskilt i nodulärt gjutjärn.

Fig 1 visar i topp-vy ett Svep Elektron Mikroskop (SEM) mikrofoto vid 1000X förstoring av en typisk Al2O3-beläggning enligt uppfinningen. 40 3 . - 502 223 Enligt uppfinningen föreligger ett skärande verktyg omfat- tande en kropp av en hárd legering pä vilken en slitstark be- läggning har deponerats. Beläggningen omfattar ett eller flera refraktära skikt av vilka ätminstone ett skikt är ett tätt, finkornigt och företrädesvis texturerat Al2O3-skikt av u-poly- morf.

Ett belagt skärande verktyg enligt föreliggande uppfinning uppvisar förbättrade slit- och seghetegenskaper jämfört med ti- digare kända verktyg vid användning för maskinbearbetning av stäl eller gjutjärn speciellt om ytan har ytterligare jämnats genom vàtblästring.

Mera speciellt omfattar det belagda verktyget ett substrat av en sintrad hàrdmetallkropp, cermet eller en keramisk kropp företrädesvis av átminstone en metallkarbid i en metallbinde- De individuella skikten i beläggningsstrukturen kan vara oxikarbid och fas.

TiC eller besläktad karbid, nitrid, karbonitrid, oxikarbonitrid av en metall vald frän gruppen bestäende av me- taller i grupperna IVB, VB, och VIB av det periodiska systemet jämte B, Al och Si och/eller blandningar därav. Åtminstone ett av sagda skikt är i kontakt med substratet. Men ätminstone ett av skikten i beläggningsstrukturen omfattar ett finkornigt, fö- reträdesvis texturerat skikt av enfas a-Al2O3 med en tjocklek av d = 0.5-25 pm med en kornstorlek (s) av 0.5 pm < s < 1 pm för 0.5 um < d < 2.5 pm och 0.5 um < s < 4 pm för 2.5 pm < d < 25 um Den finkorniga mikrostrukturen omfattar en snäv kornstor- leksfördelning. Oftast har 80 % av Al2O3-kornen en kornstorlek av 1 50 % av medelkornstorleken.

Kornstorleken hos Al2O3-beläggningen bestäms frän ett SEM toppvy mikrofoto vid SOOOX förstoring. Genom att dra tre raka linjer i slumpvisa riktningar tas medelavstàndet mellan korn- gränserna längs linjerna som en mätt pä kornstorleken.

Al2O3-skiktet enligt uppfinningen har företrädesvis en kristalltillväxtorientering i riktningen (104) som bestäms ge- nom röntgendiffraktionsmätningar(XRD). En texturkoefficient, TC, kan definieras som: _ Ighklg ¿ Ighklg -1 Tcmkl) _ round) {n Exomkníf där I(hkl) = uppmätt intensitet hos (hkl) reflexen W U 40 502 223 4 Io(hkl) = normalintensitet enligt ASTM Standard Powder Pattern Diffraction Data antal reflexer använda vid beräkningen, (hkl) (012), (104), (110), (113), n = använda reflexer är: (116) Enligt uppfinningen är TC för uppsättningen av (104) kris- tallplan större än 1.5, företrädesvis större än 2.5 och helst större än 3.0.

Den belagda kroppen enligt uppfinningen är ytterligare ka- rakteriserad av en ytfinhet (Ra) hos den refraktära beläggning- en av mindre än 0.3 pm över en mätlängd av 0.25 mm.

Den texturerade Al203-beläggningen enligt uppfinningen upp- näs genom noggrann kontroll av oxidationspotentialen i atmosfä- ren i CVD-reaktorn före kärnbildningen av Al203. Den totala koncentrationsnivän för H20 eller andra oxiderande substanser skall företrädesvis vara under 5 ppm. Men kärnbildningen av Al2O3 startas genom en styrd introduktion av reaktantgaserna som följer: C02 och CO kommer först in i en H2-fri atmosfär t.ex. i närvaro av N2 och/eller Ar sedan släpps H2 och AlCl3 in (024), i reaktorn. Temperaturen skall företrädesvis vara mellan 950- 1000°C under kärnbildningen. Men de exakta villkoren beror till en viss utsträckning pä konstruktionen av den använda utrust- ningen. Det ligger inom fackmannens omrâde att avgöra om den nödvändiga texturen och skiktmorfologin har erhàllits och att modifiera kärnbildnings- och utfällningsbetingelserna enligt för att àstadkomma den föreliggande specifikationen, om önskat, mängden av textur och skiktmorfologi.

EXEMPEL l A) Härdmetallskär med kompositionen 5.5 % Co, 8.5 % kubiska karbider och rest WC belades med ett 5.5 um tjockt skikt av TiCN. I efterföljande behandlingssteg under samma beläggnings- cykel utfälldes ett 6 pm tjockt skikt av a-Al203. Före kärn- bildningen var oxidationspotentialen av vätebärgasen, dvs vat- tenangkoncentrationen, uttryckligen satt till en lag nivà, mindre än 5 ppm (Se även U.S. Pat. No. 5,071,696).

En vätefri reaktionsgasblandning omfattande N2, C02 och C0 infördes i CVD-reaktorn. Reaktionsgaserna tillfördes sekven- tiellt i given ordning. Efter en förutbestämd tid släpptes H2 och AlCl3 in i reaktorn. Under utfällningen av Al203 användes H2S som katalysator. s - 502 223 Gasblandningar och andra processbetingelser under Al2O3-be- läggningsstegen omfattade: 1. 2 C02: 4% C02: 4% AlCl3: 4% AlCl3: 4% CO: 2% H28: 0.2% H2: rest H2: rest Processtryck: 55 mbar Processtryck: 100 mbar Temperatur: 1000°C Temperatur: l000°C Tid: 1 tim Tid: 7.5 tim Röntgendiffraktionsanalys visade en texturkoefficient, TC(104), av 3.2 för planen (104) i den enfasiga a-Al2O3-belägg- ningen.

SEM-studier visade en finkornig 6 pm tjock Al2O3-beläggning med en medelkornstorlek av = 2.1 pm.

B) Hardmetallsubstratet i A) belades med TiCN (5.5 pm) och Al2O3 (6 um) som framgår i A) utom att Al2O3-processen utfördes enligt tidigare känd teknik resulterande i en blandning av grova a- och fina K-Al2O3-korn i beläggningen.

Belagda skär frán A), och B) vàtblästrades alla med 150 mesh Al2O3 pulver för att jämna till beläggningens yta.

Skären provades sedan med avseende pá flagningsmotstand i en plansvarvningsoperation i nodulärt gjutjärn (AISI 60-40-18, DIN GGG40). Formen pá det bearbetade arbetsstycket var sádan att ett intermittent skärförlopp med tva slag per varv erhölls.

Skärdata: Hastighet = 150 m/min, Skärdjup = 2.0 mm och Matning = 0.1 mm/varv.

Skären kördes en gang över arbetsstycket.

Resultaten är uttryckta i tabellen nedan som procenten av egglinjen i ingrepp som erhàllit flagning samt spansideyta ut- satt för flagning i förhållande till total kontaktyta mellan spansida och arbetetsstyckespana. 502 223 6 Flagning (%) Egglinje Spànsida A) enfas/texturerad 5 6 (enligt a-Al2O3 uppfinningen) B) Ol/K 1511203 90 86 EXEMPEL 2 Skären från A) och B) provades också med avseende pà egg- linjeflagning i en planingsoperation i ett legerat stal (AISI 1518, W-no. l,0580). Formen pà det bearbetade arbetsstycket var sådan att skärförloppet avbryts tre gånger under varje varv.

Skärdata: Hastighet = 130-220 m/min, Skärdjup = 2 mm och Matning = 0.2 mm/varv.

Skären kördes en gáng över arbetsstycket.

Resultatet nedan är uttryckt som den andel av egglinjen i ingrepp som erhöll flagning.

Flagning (%) Egglinje D) enfas/texturerad O (enligt a-Al2O3 uppfinningen) E) GIK Al203 28

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 502 223 KBAX

1. Sätt att belägga ett skärande verktyg med ett alfa- aluminiumoxidskikt vid vilket verktyget bringas i kontakt med en vätebärgas innehållande en eller flera halider av aluminium och en hydrolyserande och/eller oxiderande agent såsom CO2 vid hög temperatur k ä n n e t e c k n a t av att oxidationspoten- tialen i CVD-reaktorn före kärnbildningen av Al2O3 hålls på en låg nivå genom att använda en total koncentration av H20 och andra oxiderande substanser företrädesvis under 5 ppm, att kärnbildningen av Al2O3 startas genom styrd introduktion av re- aktantgaserna så att C02 och CO släpps in i reaktorn först i en N2 och/eller Ar atmosfär följt av H2 och AlCl3, att temperatu- ren är företrädesvis 950-lOO0°C under kärnbildningen och att under tillväxten av Al2O3 tillsätts H2S som katalysator.

2. Skärande verktyg åtminstone delvis belagt med ett el- ler flera refraktära skikt av vilka åtminstone ett skikt är aluminiumoxid k ä n n e t e c k n a t av att sagda aluminiu- moxidskikt har en tjocklek av d = 0.5-25 um med en kornstorlek (5): 0.5 pm < s < 1 um för 0.5 pm < d < 2.5 um och 0.5 pm < s < 4 um för 2.5 pm < d < 25 um. och består av en enfas a-struktur med textur i (l04)-rikt- ningen med en texturkoefficient större än 1.5 företrädesvis större än 2.5 och helst större än 3.0 varvid texturkoefficien- ten definieras som: I(hkl) {; Xïghkl) }-1 TC(hk1) = 10(hk1> 1o(hk1) där I(hkl) = uppmätt intensitet för (hkl) reflexen Io(hkl) = normalintensitet enligt ASTM Standard Powder Pattern Diffraction Data n = antal reflexer använda vid beräkningen, (hkl) använda reflexer är: (012), (104), (110), (113), (024), (116) och att aluminiumoxidskiktet framställts med sättet enligt kravet 1.

3. Skärande verktyg enligt föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att sagda aluminiumoxidskikt är det yttersta skiktet. 502 223

4. Skärande verktyg enligt nagot av föregående krav 2-3 k ä n n e t e c k n a t av att sagda aluminiumoxidskikt är i kontakt med ett TiCxNy0z-skikt.

5. Skärande verktyg enligt krav 3 k ä n n e t e c k n a t av att sagda TiCxNyOz-skikt är det in- nersta skiktet av beläggningen.

6. Skärande verktyg enligt nagot av föregående krav 2-4 k ä n n e t e c k n a t av att verktyget är ett skär av hàrdme- tall, titanbaserad karbonitrid eller keramik.