SE520795C2 - Skärverktyg belagt med aluminiumoxid och process för dess tillverkning - Google Patents

Description

W E 20 25 30 35 520 795 2 peraturer upp till 800 OC, företrädesvis med användning av en pul- sad plasma-CVD-process.

Enligt föreliggande uppfinning föreligger ett skärverktyg för metallbearbetning omfattande en kropp innehållande åtminstone 40 vol-% kubisk bornitrid på vilken en 0,5 till 20 um, 1 till 15 um, tjock, vidhäftande, hård och slitstark beläggning är utfälld. Beläggningen omfattar en struktur av ett eller flera re- fraktära skikt, 0,5 till 15 um, på ett rörligt substrat i vakuum med reaktiv, bipolär, pulsad, företrädesvis av vilka åtminstone ett skikt med en tjocklek av företrädesvis l-10 um, är ett Al2O3-skikt utfällt dubbel magnetronsputtring med Al-target som alternativt växlas som katod och som anod i en gasblandning av argon och syre vid ett processtryck av 1-5 pbar, vid en pulsfrekvens av 10 till 100 kHz, företrädesvis 50 kHz. Beläggning sker med en hastighet av åtmins- tone l nm/s relativt ett stationärt anordnat substrat varvid mag- netrontargetens effekttäthet i tidsgenomsnitt är åtminstone 10 W/cm2 och att substrattemperaturen är i området 450 till 700 OC, företrädesvis i området 550 till 650 OC. Skiktet består väsentli- gen av mycket finkornig, kristallin y-Al2O3-fas med en kornstorlek mindre än 0,1 um med signifikanta röntgendiffraktionsreflexer från (440) (400) en tryckspänning av åtminstone 1 GPa och är åtminstone ett av och kristallplanen, med en hårdhet av åtminstone 20 GPa, fritt från halogenföroreningar.

I en första utföringsform innehåller PCBN-materialet enligt uppfinningen mer än 60 volyms% cBN. Detta material är speciellt användbart för bearbetning av gjutjärn.

I en andra utföringsform innehåller PCBN-materialet mindre än 60 volyms% cBNåterstoden andra hårda slitstarka beståndsdelar så- som karbider, nitrider, karbonitrider, oxider eller borider av me- tallerna i grupp IVb till VIb i det periodiska systemet vanligtvis TiC, TiN eller Ti(C,N). Ett exempel på ett sådant material visas i US 5,630,285. Detta slag av PCBN-material används huvudsakligen i skärverktyg för bearbetning av härdat stål.

Ofta innehåller PCBN-materialet även mindre mängder (typiskt <1O vikt% vardera) av andra komponenter, t ex Co, Ni, WC, Al, AlN och Al2O3.

I en tredje utföringsform tillverkas PCBN-verktyg utan hård- metallstöd. Vanligtvis består en sådan produkt av mer än 80 vo- lyms% cBN.

N U 20 25 30 35 40 520 795 3 I en fjärde utföringsform består PCBN-verktyget av ett CBN- innehållande material fäst vid ett substrat företrädesvis hårdme- sintring eller på något annat sätt. Hårdmetal- vikt-% Co. tall genom lödning, len ärWC-Co med 10-20, 7-Al2O3-skiktet enligt uppfinningenger dessutom skäreggarna företrädesvis 15-17, på verktyget en ytterst jämn ytfinhet vilket leder till en bättre ytfinish även av arbetsstycket som bearbetas. Den mycket fina yt- finheten kan tillskrivas den mycket fina kristalliniteten av be- läggningen. "y-Al2O3"-skiktet kan även delvis innehålla andra fa- ser från "y-serie" såsom 0, Ö och q, företrädesvis 0. Identifika- tion av y- och/eller 0-faser i Al2O3-skikt enligt uppfinningen kan företrädesvis göras med röntgendiffraktion. (400)- och (440)-planen av y-A12O3-skiktet vid 20-vinklarna 45,80° och Reflexer från 66,80° med användning av CuKa-strålning, identifierar entydigt y- (222), (200) (311) 7-fasen kan någon gång identifieras. När Y-fasen föreligger i och plan av fasen. Svagare reflexer från Al2O3-skiktet enligt uppfinningen, identifieras sagda fas med re- flexer från (200, 20-2) Finkornig, kristallin.y-Al2O3 enligt uppfinningen är starkt

[440]-riktningen. En texturkoefficient, TC, kan de- planen. strukturerad i finieras som: I(hkl) å I(hkl) -1 Tflhkl) = :Onmn in å :O} där I(hkl) = (hkl)-reflexen Io(hkl) = standardintensitet från ASTM standardpulverdiffrak- uppmätt intensitet av tionsdata n = (hkl) (440) och när TC(hkl)>1, Ju större värde av TC(hkl), antal reflexer använda i beräkningen (111), (311), (222), (400) finns det en textur i [hkl]-riktningen.

Enligt kristallplan reflexer som används är: och desto mer uttalad är texturen. föreliggande uppfinning, är TC för sättet av (440) större än 1,5.

En ytterligare förbättring i skärprestanda kan förväntas om eggarna av det y-Al2O3-belagda verktyget enligt uppfinningen be- handlas med en mild våt-blästringsprocess eller med eggborstning med borstar baserade på t ex SiC som beskrivs i US 5,861,2l0. y-Al2O3-skiktet kan var det yttersta skiktet men ytterligare beläggningar av metallnitrider och/eller karbider med metallele- W Ü 20 25 30 35 520 795 4 mentet valt från Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Cr, W och Al utfällas på Al2O3-skiktet, företrädesvis TiC, TiCN, TiN eller TiAlN, helst TiN.

Zr, Föreliggande uppfinning avser också en process för tillverk- ning av ett belagt skärverktyg för metallbearbetning omfattande en kropp innehållande åtminstone 40 vol-% kubisk bornitrid på vilken en 0,5 till 20 pm, företrädesvis 1 till 15 um, tjock, vidhäftande, hård och slitstark beläggning är utfälld med magnetronsputtring på ett rörligt substrat i ett vakuum. Beläggningen omfattar en struk- tur av ett eller flera refraktära skikt, av vilka åtminstone ett skikt med en tjocklek av 0,5 till 15 um, ett Al2O3-skikt som utfälls med reaktiv, bipolär, pulsad, dubbel företrädesvis l-10 pm, är magnetronsputtring med Al-target som alternativt växlas som katod och som anod i en gasblandning av argon och syre vid ett process- tryck av 1-5 ubar, varvid pulsfrekvensen sätts till 10 till 100 kHz, företrädesvis 50 kHz. Beläggning sker med en hastighet av åt- minstone 1 nm/s relativt ett stationärt anordnat substrat varvid magnetrontargetens effekttäthet i tidsgenomsnitt är åtminstone 10 W/cmz och substrattemperaturen är i området 450 till 700 OC, företrädesvis i området 550 till 650 OC. Skiktet består väsentli- gen av mycket finkornig, kristallin y-Al2O3-fas med en kornstorlek mindre än 0,1 um varvid det mycket finkorniga kristallina y-Al2O3- skiktet uppvisar signifikanta röntgendiffraktionsreflexer från åt- (440) och (400) en tryckspänning av åtminstone 1 GPa och är minstone ett av kristallplanen, har en hårdhet av åtminstone 20 GPa, fritt från halogenföroreningar.

Det ligger inom fackmannens kompetensomràde att fastställa om krävd kornstorlek och fassammansättning har erhållits och att mo- difiera betingelserna i enlighet med föreliggande beskrivning, om önskat, för att påverka nanostrukturen av Al2O3-skiktet inom ramen för uppfinningen.

Skikt beskrivna i föreliggande uppfinning, nitrider och/eller -karbider och/eller -karbonitrider och med me- tallelementet valt från Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Cr, W och Al kan utfällas med PVD-, CVD- och/eller MTCVD-teknik (Medium Tempe- ratur Kemisk Ångavsättning) speciellt med pulsad magnetron sputt- omfattande metall- Zr, ring.

Claims (13)

10 15 20 25 30 35 520 795 5 Krav

1. Skärverktyg för metallbearbetning omfattande en kropp innehållande åtminstone 40 vol-% kubisk bornitrid på vilken en 0,5 till 20 pm, företrädesvis 1 till 15 pm, tjock, vidhäftande, hård och slitstark beläggning är utfälld, att beläggningen omfattar en struktur av ett eller flera refrak- k ä n n e t e c k n a t av av vilka åtminstone ett skikt med en tjocklek av 0,5 företrädesvis 1-10 pm, är ett Al2O3-skikt utfällt på tära skikt, till 15 pm, ett rörligt substrat i vakuum med reaktiv, bipolär, pulsad, dubbel magnetronsputtring med Al-target som alternativt växlas som katod och som anod i en gasblandning av argon och syre vid ett process- vid en pulsfrekvens av 10 till 100 kHz, före- tryck av 1-5 pbar, trädesvis 50 kHz, beläggning sker med en hastighet av åtminstone 1 nm/s relativt ett stationärt anordnat substrat, att magnetrontar- getens effekttäthet i tidsgenomsnitt är åtminstone 10 W/cmz och att substrattemperaturen är i området 450 till 700 CC, företrädes- vis i området 550 till 650 OC, varvid skiktet väsentligen består av mycket finkornig, kristallin y-Al2O3-fas med en kornstorlek mindre än 0,1 pm, det mycket finkorniga kristallina y-Al2O3-skiktet uppvisar signifikanta röntgendiffraktionsreflexer från åtminstone ett av (440) (400) kristallplanen, GPa, en tryckspänning av åtminstone 1 GPa och är fritt från halo- genföroreningar.

2. Skärverktyg enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att och en hårdhet av åtminstone 20 Al2O3-skiktet har en föredragen tillväxtorientering i [440]-rikt- ningen med en texturkoefficient >1,5 definierad enligt nedan: I(hkl) 1 I(hkl) -l TC(hkl) = ïšïñšïï {í :â:ïšTHEïT} där I(hkl) = mätt intensitet av (hkl)-reflexen IO(hkl) = standardintensitet från ASTM standardpulverdiffrak- tionsdata n = antal reflexer använda i beräkningen (hkl) reflexer som används är: (111), (311), (222), (400) och (440).

3. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att det finkorniga kristallina y-Al2O3- detekterbara med XRD-teknik, av ytter- skiktet innehåller områden, 10 15 20 25 30 35 40 520 795 6 ligare aluminiumoxidfaser från y-serien av Al2O3-polymorfer, före- trädesvis 0-fas.

4. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av åtminstone ett skikt av tjocklek 0,1-10 pm, företrädesvis 0,5-5 pm, omfattande metallnitrider och/eller -karbider med metallelement valt från Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W och Al, företrädesvis TiC, TiCN, TiN eller TiAlN.

5. Skärverktyg enligt något av föregående krav k a n n e t e c k n a t av att det yttre skiktet är Al2O3.

6. Skärverktyg enligt något av kraven 1-4 k ä n n e t e c k n a t av att det yttre skiktet är TiN.

7. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att kroppen innehåller mer än 80volyms% CBN.

8. Skärverktyg enligt kraven 1~6 k ä n n e t e c k n a t av att kroppen innehåller 40-90volyms% CBN, återstoden är andra hårda slitstarka beståndsdelar såsom karbider, nitrider, karbonitrider, oxider eller borider av metallerna av grupperna IVb till VIb av det periodiska systemet, företrädesvis TiC, TiN eller Ti(C,N).

9. Skärverktyg enligt något av kraven 1-6 k ä n n e t e c k n a t av att verktyget består helt av cBN-inne- hållande material.

10. Skärverktyg enligt något av föregående krav 1-9 k ä n n e t e c k n a t av att verktyget bestående av cBN-innehål- lande material är fäst vid ett substrat, företrädesvis hårdmetall, genom lödning, sintring eller på något annat sätt.

11. ll. Skärverktyg enligt krav 10 k ä n n e t e c k n a t av att hårdmetallen är WC-Co med 10-20, vikt-% Co.

12. En process för tillverkning av ett belagt skärverktyg för företrädesvis 15-17, metallbearbetning omfattande en kropp innehållande åtminstone 40 vol-% kubisk bornitrid på vilken en 0,5 till 20 um, företrädesvis 1 till 15 um, tjock, vidhäftande, hård och slitstark beläggning är utfälld med magnetronsputtring på ett rörligt substrat i ett va- kuum, k ä n n e t e c k n a d av att beläggningen omfattar en struktur av ett eller flera refraktära skikt, av vilka åtminstone ett skikt med en tjocklek av 0,5 till 15 pm, pm, är ett Al2O3-skikt som utfälls med reaktiv, bipolar, pulsad, företrädesvis 1-10 dubbel magnetronsputtring med Al-target som alternativt växlas som katod och som anod i en gasblandning av argon och syre vid ett processtryck av 1-5 pbar, varvid pulsfrekvensen sätts till 10 till lO 15 520 795 'f 100 kHz, företrädesvis 50 kHz, beläggning sker med en hastighet av åtminstone 1 nm/s relativt ett stationärt anordnat substrat, att magnetrontargetens effekttäthet i tidsgenomsnitt är åtminstone 10 W/cm2 och substrattemperaturen är i området 450 till 700 OC, före- trädesvis i området 550 till 650 OC varvid skiktet väsentligen be- står av mycket finkornig, kristallin y-Al2O3-fas med en kornstorlek mindre än 0,1 pm, det mycket finkorniga kristallina y-Al2O3-skiktet uppvisar signifikanta röntgendiffraktionsreflexer från åtminstone ett av (440) (400) en hårdhet av åtminstone 20 GPa, en tryckspänning av åtminstone 1 GPa och är fritt från halo- genfororeningar.

13. En process enligt krav 12 k ä n n e t e c k n a d av att icke-A12O3-skikt även utfälls med en PVD process, och kristallplanen, ytterligare, Physical Vapour Deposition, speciellt med pulsad magnetronsputt- ring.