SE529143C2 - Skär belagt med ett kompositoxidskikt - Google Patents

Description

30 35 529 143 och kornstorlek, hårdhet, spänningstillstànd, kohesion och vidhäftning till det underliggande substratet kan variera beroende på vilken PVD-metod som valts. En förbättring av slitstyrkan eller eggsäkerhet av det PVD-belagda skärverktyget som används i en specifik bearbetningsoperation kan erhållas genom att optimera en eller flera av de ovannämnda egenskaperna.

Partikelförstärkta keramer är välkända som konstruktions- material i bulkform, emellertid inte som nanokompositer tills nyligen. Bulkkeramer av aluminiumoxid med olika nanodispergerade partiklar är beskrivna i J.F.Kuntz et al, MRS Bulletin Jan 2004, pp22 - 27. Zirkoniumdioxid- och titanoxidhärdade CVD-skikt av aluminiumoxid är beskrivna i till exempel DE 2736982, US 6,660,37l och EP O 275,977. I dessa senare beskrivningar, utfälls skikten med CVD-teknik och därför är den bildade ZrO2-fasen den termodynamiskt stabila fasen, dvs. den monoklina fasen. Dessutom innehåller det CVD-utfällda skiktet dragspänningar.

Figur l är en schematisk bild av ett tvärsnitt taget genom en belagd kropp enligt föreliggande uppfinning där det visas ett substrat l belagt med en metallkarbid- eller metallnitridf mellanskikt 5 och ett oxidskikt 2 enligt uppfinningen med kornstorlek 3, där oxidskiktet innehåller fördelade oxidpartiklar 4.

Enligt föreliggande uppfinning tillhandahålls ett skär för metallbearbetning såsom svarvning, fräsning och borrning omfattande en kropp av en hård legering av hårdmetall, cermet, keramik, kubisk bornitrid eller snabbstàl, företrädesvis hårdmetall eller cermet, ovanpå vilken en slitstark, multiskikt beläggning har utfällts. Formen på skärverktyget omfattar vändskär såväl som skaftförsedda verktyg såsom borrar, pinnfräsar etc.

Sagda kropp kan även vara förbelagd med ett enkel- eller ett multiskikt av TiN, TiC, TiCN eller TiAlN med en tjocklek i mikrometerintervallet enligt tidigare känd teknik. Beläggningen är belagd ovanpå hela kroppen eller åtminstone de funktionella ytorna därav, t.ex. skäreggen, spånsidan, släppningssidan och vilken annan yta som helst som deltar i metallbearbetningsprocessen.

Beläggningen enligt uppfinningen, är fast bunden till kroppen och omfattar åtminstone ett skikt av en enkel eller multipel 10 15 20 25 30 35 529 143 metalloxidmatris där i vilken åtminstone en ytterligare metalloxidfas är fördelad som partiklar där metallatomerna är valda fràn Ti, Nb, V, Mo, Zr, Cr, Al, Hf och Ta. Sagda oxidskikt har en total tjocklek av mellan 0.5 och 20 um, företrädesvis 1 och 5 um. Matrisen bestàr av en enfasoxid av ett metallelement eller en fast lösning av tvà eller flera metalloxider. Den föredragna utföringsformen innehåller en matris av kristallin aluminiumoxid av alfa-(a)- och/eller gamma-(Y)-fas. I en alternativ utföringsform är matrisen tetragonal eller kubisk zirkoniumdioxid. Tillväxten av matrisen är kolumnär med en kornstorlek av l ~ 500 nm, företrädesvis 3 - 70 nm. Den fördelade oxidfasen, vilken kan vara en enda metalloxid eller en fast lösning av tvà eller flera metalloxider, är vald bland de oxider som är olösliga i matrisens metalloxid. Medelstorleken av de fördelade oxidpartiklarna är 1 - 100 nm, med en föredragen storlek av 3 - 70 nm, och den mest föredragna storleken 3 - 20 nm. I en alternativ utföringsform, är den fördelade oxiden väsentligen amorf. Volymsinnehàllet av de fördelade partiklarna är l - 30%, företrädesvis 4 - 12%. Skiktet innehar även en restspänning som resultat av produktionsmetoden, spänningen är en tryckspänning i området 200 och 5000 MPa, företrädesvis 1000 och 3000 MPa.

Skiktet enligt föreliggande uppfinning är tillverkat med en PVD-teknik eller en hybrid av sädan tekniker, företrädesvis pulsad magnetronsputtring, och helst tekniken bipolär pulsad dubbel magnetronsputtring (DMS). Skiktet bildas vid en substrattemperatur av 200 - 800°C, företrädesvis 450 - 750°C.

När typen av PVD-process tillåter, utfälls oxidskiktet med användning av ett källmaterial av kompositoxid. En reaktiv process med användning av metalliska källor i en omgivande reaktiv gas är ett alternativt processväg. I fallet där metalloxidskiktet produceras med en magnetronsputtringsmetod, kan tvà eller flera källor av en-metalltyp användas där sammansättningen av metalloxid styrs genom att slà pà och av de separata källorna. I en föredragen metod är källan en förening med en sammansättning som speglar den önskade skiktsammansättningen. I fallet med radiofrekvens-(RF)-sputtring, kontrolleras sammansättningen genom att använda oberoende kontrollerade effektniváer till de separat källorna. 10 15 20 25 529 143 Exempel 1 Nanokomposit Al2O3+ ZrO2-skikt utfälldes på ett substrat med användning av en PVD-metod med RF-sputtring med högrena oxidkällor där olika processbetingelser applicerades såsom temperatur och kvoten zirkoniumdioxid till aluminiumoxid. Sammansättningen av de båda oxiderna i det formade skiktet kontrolleras genom att använda en effektnivá på zirkoniumdioxidkällan och en separat effektnivà på aluminiumoxidkällan.

Det resulterande skiktet analyserades med XRD och TEM.

Röntgendiffraktionsanalysen visade inga spår av kristallin Algh i någon av de utfällda kompositfilmerna oberoende av tillväxt- temperaturen i intervallet från 200°C till 800°C.

Tillväxt vid 450°C av en ren ZrO2-film gav både den stabila monoklina fasen såväl som den metastabila tetragonala fasen. Att tillsätta aluminiumoxid till zirkoniumdioxidflödet med avsikten att bilda ett kompositmaterial, tillät stabilisering av kubisk ZrO2.Källornas effektnivåer i detta fall var 80 W på vardera oxidkälla. P.g.a. den lägre sputterhastigheten för aluminiumoxid jämfört med zirkoniumdioxid, är Al-innehållet i det formade skiktet huvudsakligen mindre än Zr-innehållet.

TEM-undersökningen visade att det utfällda skiktet är en nanokomposit bestående av en ZrO2-matris med en medelkornstorlek av omkring 5 nm, och medelstorleken av de fördelade partiklarna är 3 ~ 5 nm, se Fig l.

Claims (9)

10 U 20 25 30 35 529 143 Krav

1. l. Ett skär omfattande en kropp av hårdmetall, cermet, keramik, kubisk bornitrid eller snabbstàl på vilket åtminstone på de funktionella delarna av ytan därav en tunn, vidhäftande, hård och slitstark beläggning är belagd, k ä n n e t e c k n a t av att sagda beläggning omfattar åtminstone ett skikt av en enkel eller multipel metalloxidmatris i vilken åtminstone en ytterligare metalloxidfas är fördelad som partiklar där metallatomerna är valda från Ti, Nb, V, Mo, Zr, Cr, Al, Hf och Ta och där sagda oxidskikt har en total tjocklek av mellan 0.5 och 20 um för vilken matrisen är en enfasoxid av ett metallelement eller en fast lösning av två eller flera metalloxider och den fördelade oxidfasen, vilken kan vara en enda metalloxid eller en fast lösning av två eller flera metalloxider, valda bland de oxider som är olösliga i matrisens metalloxid och där sagda oxidskikt innehåller tryckspänningar mellan 200 och 5000 MPa.

2. Skär enligt föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att sagda matrisoxid har en kornstorlek av l - 500 nm, - 70 nm. företrädesvis 3

3. Skär enligt föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att sagda fördelade partiklar har en storlek av 1 - 100 nm, företrädesvis 3 ~ 70 nm och helst 3 - 20 nm.

4. Skär enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att volymsinnehållet av fördelade oxidpartiklar i oxidskiktet är l - 30%, företrädesvis 4 - 12%.

5. Skär enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att matrisen består av alfa- eller gammaaluminiumoxid eller av tetragonal eller kubisk ZrO2.

6. Skär enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att sagda fördelade partiklar består av alfa- eller gammaaluminiumoxid eller av tetragonal eller kubisk ZrO2.

7. Skär enligt krav l - 5 där de fördelade partiklarna består av en amorf metalloxid.

8. Skär enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att sagda skikt har en total tjocklek av 0.5 till 20 um, företrädesvis l till 5 um. 529 143

9. Skär enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att sagda kropp är en hárdmetall eller en cermet.