SE526336C2 - Skär med slitstark refraktär beläggning av MAX-fas - Google Patents

Description

W Ü 20 25 30 526 356 netronsputtering från katoder, som var och en huvudsakligen består av ett ämne, och föràngning av C60 och (iii) Obalanserad magnetronsputtering från en stökiometrisk katod.

Den anisotropa hårdheten för den enkristallina MAX-fasen Ti3SiC2rapporterades första gången av Nickl et al, J. Less-common Metals 26:335-353 (1972).

En översikt av MAX-fasernas mekaniska egenskaper har gjorts av M.W. Barsoum, Solid St. Chem. Vol 28 (2000) 201-281. Åtskilliga ovanliga egenskaper, vilka kan vara fördelaktiga vid användning av keramiska material, rapporterades för bulkmaterial av Ti3SiC% Dessa egenskaper omfattar hög seghet och böjbrotthållfasthet, högt motstånd mot spricktillväxt, högt motstånd mot spricktillväxt vid cyklisk belastning etc.

US 5,942,455 beskriver en process att producera bulkprodukter med enfasiga eller fasta lösningar av formeln MQQZZ vari M är en övergångsmetall, X är Si, Al eller Ge och Z är B, C eller N genom att blanda pulver innehållande M, X och Z samt att värma bland- ningen till en temperatur mellan 1000 °C och 1800 °C. Produkter producerade på detta sätt har utomordentligt chockmotstånd, oxida- tionsmotstånd och bearbetbarhet.

US 6,0l3,322 beskriver en ytbehandling av ett ternärt kera- miskt material, en "312-förening" (t ex Ti3SiC2), genom att ytan reagerar med en ytmodifierande förening vald bland uppkolande, ki- selavgivande, nitrerande och borerande föreningar. Behandlingen sker vid en förhöjd temperatur av lägst ca 600 °C under en tidspe- riod tillräckligt lång för att ett reaktionsskikt på minst 1 pm ska erhållas pà materialet.

Inom systemet av Ti/Al och andra övergångsmetallnitrider, -karbider och -oxider finns det många patent för homogena skikt t ex US 5,549,975, multiskikt t ex US 5,330,853, gradientskikt t ex EP 448 720, eller kombinationer därav t ex US 5,208,102. Men alla dessa skiktmaterial är nära stökiometriska med avseende på faser av NaCl-typ, d v s 50 atom%.

N U 20 25 30 35 3 526 336 Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att förelägga ett hàrdmetallskär för spånavskiljande bearbetning med beläggning bestående av åtminstone ett skikt av MAX-fas.

Det är ett ytterligare syfte med föreliggande uppfinning att deponera skikt av MAX-fas med hög seghet med användning av PVD- teknik.

KORT BESKRIVNING AV FIGURERNA Figur 1 är en svepelektronmikroskop (SEM) bild i 6000X för- storing av ett belagt hårdmetallskär enligt föreliggande uppfin- ning där: A - MAN-skikt (~l pm) växt med användning av 6,7 mPa N2.

B - Det första skiktet av (Ti0¿3Al0ß7)N (~2 pm) S - Substrat Figur 2 a) är ett röntgendiffraktogram av det belagda skäret visat i figur 1, och b) visar ett röntgendiffraktogram av ett li- kadant skär men utan toppskikt av MAN-fas.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Enligt föreliggande uppfinning föreligger ett skär för spånavskiljande bearbetning omfattande en kropp av en hård lege- ring av hàrdmetall, cermet, keramik, material baserat på kubisk bornitrid eller snabbstål ovanpå vilken en seg och slitstark be- läggning är utfälld. Den sega och slitstarka beläggningen är sam- mansatt av ett eller flera skikt av refraktära föreningar omfat- tande åtminstone ett skikt bestående av en kristallin MAX-fas.

Beläggningen är sammansatt av ett eller flera skikt av re- fraktära föreningar av vilka åtminstone ett skikt omfattar en så kallad MAX-fas definierad som Mm4AXndär n är 1, 2 eller 3, M är Hf, V, Nb, Ta, Cr eller Mo, företrädesvis Al, X är C, N och/eller B, ett av elementen Ti, Zr, företrädesvis Ti, A är Al, Si eller S, företrädesvis åtminstone 40 atom% N, hellre CNy¶CX) där x är mellan O och 0,6, helst N. Det kristallina MAX-skiktet kan deponeras direkt på skärverktygssubstratet, men det kan även vara ytterli- gare skikt mellan verktygets substrat och MAX-skiktet och/eller 10 ß 20 25 30 F26 336 ovanpå MAX-skiktet, sammansatt av metallnitrider och/eller -karbi- 4 der och/eller oxider med metallelementet valt från Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Si och Al. Företrädesvis är MAX-skiktet det yt- tersta skiktet eller det näst yttersta skiktet.

Tjockleken av MAX-skiktet är mellan 0,1 och 20 pm, före- trädesvis mellan 0,5 och 10 pm. Den totala beläggningstjockleken enligt föreliggande uppfinning är mellan 0,5 och 25 pm, företrä- desvis mellan 1 och 15 pm med tjockleken av icke-MAX-skikt(en) mellan 0,1 och 10 pm.

I ett alternativt utförande vid MAX-skikt(en) mellan 0,5 och 20 pm, med eller utan ett första skikt enligt beskrivningen ovan, kan ett yttre skikt, bestående av ett fast lågfriktionsmaterial baserat på MoS2 eller MeC/C, där Me är Cr, W, Ti eller Ta, depone- ras.

I ytterligare ett alternativt utförande är MAX-skikten, mel- lan 0,1 och 2 pm tjocka, ett av ett till fem olika material i en multiskiktsbeläggning bestående av 2-500 stycken individuella skikt.

I ytterligare ett alternativt utförande utfälls MAN- skikt(en), 0,5 och 20 pm tjocka, ovanpå en CVD-beläggning, som kan omfatta ett eller flera skikt av kristallin Al2O3.

I ytterligare ett alternativt utförande utfälls MAN-skikt(en) ovanpå och/eller under ett MAX-skikt.

Metoden som använts för att deponera MAX-skikt enligt före- liggande uppfinning är antingen baserad på magnetronsputtering av en legerad katod eller av en kompositkatod, eller en kombinerad process som använder både bàgförångning och magnetronsputtering av en legering eller kompositkatod under följande betingelser som ex- emplifieras för Ti/Al-system: Magnetronsputtering av ett MAN-skikt utförs med användning av följande data: Magnetronens effektdensitet: 2-40 W/cmz, företrädesvis 5-15 W/cmz. 10 15 20 25 30 35 F 026 336 Atmosfären är en blandning av Ar och N2. Partialtrycket av N2 5 är i intervallet l-30 mPa, företrädesvis 2-15 MPa.

Totaltrycket är i intervallet 0,05-2 Pa, företrädesvis 0,02-1 Pa.

Substratförspänning Vs: <0 V, företrädesvis mellan -5 och -100 Sammansättningen på TiAl-katoden som används beror på vilken MAN-fas som önskas enligt: 75 atom% Ti + 25 atom% Al för Ti3AlN2, 67 atom% Ti + 33 atom% Al för Ti2AlN eller 80 atom% Ti + 20 atom% A1 for Ti4AiN3.

Beläggningstemperaturen är i intervallet 600 - 1000 °C, före- trädesvis 700-900 °C.

MAN-fas erhålls troligen på grund av det låga partialtrycket av N2.

Magnetronsputtering av ett MAX-skikt såsom Ti3AlC2 görs med användning av liknande data som för Ti3AlN2 men med användning av en ren Ar atmosfär och en andra katod för sputtring av C.

Föreliggande uppfinning beskrivs med hänvisning till skikt bestående av en MAN-fas och ett arc-förångat (Ti,Al)N-skikt. Det är uppenbart att beläggningar omfattande MAX-skikt även kan vara av fördel i kombination med skikt växta med användning av andra teknologier som kemisk gasdeponering (CVD) och plasma aktiverad kemisk gasdeponering (PACVD), såväl som i kombination med skikt av andra material, om några alls, bestående av metallnitrider och/eller -karbider och/eller -oxider med metallelement(en) valda från gruppen Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Si och Al.

Eftersom vissa av MAN/MAX-faserna även bildar metallkarbo- nitridföreningar och genom att använda PVD-teknik för att växa MAN-skiktet är det enkelt att tillsätta en kolinnehållande gas till atmosfären under beläggningen (t ex Cfib eller CH4), så är det uppenbart att kol-legerade MAN-faser kan erhållas t ex vid sputtering från en Ti/Al-katod; Ti2Al(NL¶Cx), Ti3Al(Ny¶Cx)2 eller Ti4Al(Ny¶C,)3 där x är mellan O och 0,6.

Att MAX/MAN-faser finns i beläggningen upptäcks genom XRD (röntgendiffraktions)analys. I figur 2 är detta exemplifierat för 10 Ü 20 25 30 35 526 536 Ti/Al-system som visar att MAN-faserna Ti2AlN, Ti3AlN2 finns i 6 skiktet. Vid jämförelse av röntgendiffraktionsmönstret i figur 2a ((Ti0¿3Alm67)N bottenskikt och MAN-skikt på toppen) med figur 2b (endast bottenskiktet från figur 2a; d v s (Ti0¿3Alm67)N skikt), ses ett antal nya toppar härrörande från MAN-skiktet som har depo- nerats, se t ex mellan 37,5 och 41,5 °29 (med användning av CuKa strålning) motsvarande en gitterparameter av 0,217 till 0,240 nm.

Att dessa toppar inte motsvarar en fas med NaCl-struktur såsom TiN och (Ti,Al)N kan med säkerhet uteslutas genom att undersöka om motsvarande toppar från (lll) eller (200) existerar med ungefär samma gitterparameter (små avvikelser från detta kan uppstå bero- ende pà textur och spänningstillstånd hos beläggningen).

Exempel 1 Hårdmetallsubstrat med sammansättning 6 vikt% Co och 94 vikt% WC användes. WC kornstorlek var omkring l um och hårdheten var 1650 Hvm.

Före beläggning rengjordes substraten i en ultraljudstvätt med en alkalilösning och sprit.

Ett första skikt av (Ti0¿3Al0ß7)N deponerades med användning av arc-förångning av sex stycken Ti/Al (33 atom% Ti + 67 atom% Al) katoder (63 mm i diameter) i en Ar/N2-atmosfär vid ett totaltryck av 2,0 Pa, med användning av en substratförspänning av -130 V.

Beläggningsprocessen pågick under 40 min för att erhålla en beläggningstjocklek av ungefär 2 um. Beläggningstemperatur var ~550 °C.

Ett MAN-skiktet deponerades ovanpå (Ti0¿3Alm67)N-skiktet i ett kommersiellt tillgängligt beläggningssystem avsett för tunnfilms- beläggning utrustat med en dc magnetronsputteringskälla från en 75 atom% Ti + 25 atom% Al katod (diameter 63 mm).

Under magnetronsputteringen av MAN-skiktet var substraten stationärt positionerade 30 cm från magnetronen och stràlnings- värmdes under 60 min till omkring 870°C, mätt med ett termoelement fäst vid substrathàllaren. Omedelbart efter uppvärmning argon-jon- etsades substraten i 10 minuter med användning av en substratför- l0 Ü 20 25 30 35 126 356 (fl 7 spänning av -1000 V. Den följande deponeringen av MAN-skikt utför- des vid följande tre olika partialtryck av kvävgas, Pm; 12,0, 6,7 och 5,3 mPa med en balans av Ar till ett konstant totaltryck av 0,5 Pa. Substratförspänning Vs av -25 V, magnetroneffekt 450 W (konstant ström av 0,65 A), resulterande i en katodpotential av omkring 670 V var konstanta parametrar för deponering av alla skiktvarianter. Beläggningsprocessen pågick under 30 min resulte- rande i ett MAN-skikt med en tjocklek av ~l pm.

Röntgendiffraktionsanalys, se figur 2, visade toppar härstam- mande från WC-fasen i substratet, tillsammans med toppar från ett kubiskt (Ti0¿3Alm67)N skikt. Men ytterligare ett stort antal toppar kan ses härrörande från hexagonala MAN-faser indexerade som Ti2AlN och Ti3AlN2, se t ex mellan 37,5 och 41,5 °26 för Ti3AlN2 och vid 54 °29 för Ti2AlN. Skiktet växt med högst PN; (12,0 mPa) uppvisar även en svag topp som förmodligen härrör från kubisk Ti3AlN och kan ses vid 22°26CuKa strålning). Toppen som motsvarar både (104) och (00 10) riktningarna av MAN-fasen Ti3AlN2 är stark för de båda skikt som deponerats med de lägsta Pm, se tabell 1. Skiktet växt med högst Pm visar bara en mindre topp för dessa riktningar men i stället en kraftig topp för riktningen (105) av Ti3AlN2. En liten topp från (106) från Ti3A1N2-riktningen kan endast ses för skiktet växt med den mellersta Pm. Alla skikt har en liten topp motsva- rande riktningen (106) för Ti2AlN.

SEM-analys av brottytor visade en kolumnär struktur för alla skikt, ingen stor kontrast- och/eller morfologiskillnad kan ses mellan det kubiska (Ti,Al)N och det hexagonala MAN-skiktet. Men i högre förstoring framträdde en kolumnär morfologi hos MAN-skiktet Kornstorleken hos MAN- som är växt med Pm = 6,7 mPa, se figur 1. skiktet är mindre än 1 um.

Från repprovning framgick det att vidhäftningen är god för alla skikt. Det gick inte att se någon betydande skillnad i kri- tisk last Fmc mellan skikten växta med olika Pm. Alla har Fmc i intervallet mellan 40-50 N. Men deformationsmekanismen är olika mellan skikten med ett toppskikt bestående av enbart hexagonala MAN-faser och det med liten mängd av en kubisk Ti3AlN fas (Pm = 12 10 Ü 20 526 336 mPa). Den begynnande haverimekanismen för toppskikten bestående av 8 enbart MAN-faser var plastisk deformation utan flagning, medan för beläggningen med litet kubisk Ti3AlN kan också några kohesiva brott ses. Om reporna på MAN-skikten innehållande beläggningar jämförs med en repa från en beläggning utan toppskiktet av MAN-fas, syns en klar skillnad med ett stort antal kohesiva brott utmed repan på den senare. Därför visar repprovet att beläggningar enligt före- liggande uppfinning, innehållande ett MAN-fas skikt, starkt för- bättrar seghetsegenskaperna jämfört med beläggningar utan detta.

Tabell 1. Topphöjden i cps (pulser per sekund) över bakgrun- den för olika toppar från MAN-faser.

Variant PN2 Topphöjd Topphöjd Topphöjd Topphöjd [mPa] [cps] [cps] [cps] [cps] MAN ”312” MAN ”312” MAN ”312" MAN ”21l” (104)+(00 10) (105) (106) (106) A 5,3 4930 310 - 85 6,7 2940 290 120 138 C 12,0 420 1130 - 220 Exempel 2 Hårdmetallskär, SNGN120408 (WC-6 vikt%Co) belades med ett 2 um tjock (Ti0¿3Al0¿7)N-skikt som första skikt närmast substratet och därpå ett 1 pm tjockt MAN-skikt enligt exempel 1 variant B.

Som referens användes ett skär av samma geometri och substrat, be- lagd med ett enkelskikt, likadant som första skiktet hos variant B, hädanefter kallad variant D.

Ett intermittent planfräsningsprov utfördes i SS2541 (ämnet var anordnat som ett paket bestående av tre stycken plåtar vardera med en bredd av 20 mm separerade med 10 mm), med följande 200 m/min, skärdata; vc = f = 0,1 mm/varv och skärdjup = 2,5 mm. 9 Variant Livslängd, mm Haveriorsak B 2200 Urflisning och fasförslitning D 1500 Urflisning Detta prov visar på den förbättrade segheten för variant B med ett toppskikt av MAN~fas jämfört med en normal beläggning.

Exempel 3 Varianterna enligt exempel 2 provades i en hörnfräsningsope- ration av SS2343. Detta prov syftar till att prova skiktets seghet i kombination med kravet på en låg tendens till att arbetsmateria- 10 let adhesivt vidhäftar till skäret.

Hörnfräsningsoperationen utfördes i SS2343, med användning av ett homogent arbetsstycke, vid vc = 200 m/min, f = 0,1 mm/varv och skärdjup = 2,5 mm.

Variant Livslängd, mm Haveriorsak B 2400 Urflisning och fasförslitning D 1200 Urflisning Ü Även detta prov visar på den förbättrade segheten i kombina- tion med minskad tendens till adhesion av spånan till skäret med användning av ett toppskikt bestående av MAN~fas.

Claims (8)

W U 20 25 'S26 336 N Krav

1. Skär omfattande ett substrat av hårdmetall, cermet, keramik, material baserat på kubisk bornitrid eller snabbstål och en beläggning k ä n n e t e c k n a t av att beläggningen är sammansatt av ett eller flera skikt av refraktära föreningar av vilka åtminstone ett skikt omfattar en så kallad MAX-fas definierad som MnuAXndär n är 1, 2 eller 3, M är ett av elementen Ti, Hf, V, Nb, Ta, A är Al, Si eller S, X är C, N och/eller B.

2. Skär enligt krav l k ä n n e t e c k n a t av att X är åt- Zr, Cr eller Mo, minstone 40 atom% N.

3. Skär enligt krav 2 k ä n n e t e c k n a t av att M är Ti, (Ni-XCX)

4. Skär enligt krav 3 k ä n n e t e c k n a t av att X är N. A är Al och X är där x är mellan O och 0,6.

5. Skär enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att skiktet är det yttersta eller det näst yttersta skiktet i beläggningen.

6. Skär enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att skiktet är kombinerat med åt- minstone ett ytterligare hårt slitstarkt skikt av metallnitrider och/eller -karbider och/eller -oxider av metallelement valda från Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Si och Al.

7. Skär enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att skiktet har en tjocklek av 0,5-20 pm, företrädesvis 0,5-10 pm.

8. Skär enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att skiktet är utfällt med PVD-teknik.