SE530515C2 - Skärverktyg belagt med laminerade nanokompositskikt av metalloxider - Google Patents

Description

U 20 25 30 35 530 515 kan så uppnås genom optimering av en eller fler av de ovannämnda egenskaperna.

Partikelförstärkta keramer är välkända som konstruktionsmaterial 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, pp.22-27. Zirkoniumdioxid- och titanoxidhärdade aluminiumoxid-CVD-skikt är beskrivna i till exempel US 6,660,37l, US 4,702,907 øch US 4,70l,384. 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 har de CVD-belagda skikten i allmänhet dragspänningar eller tryckspänningar på en låg nivå, medan PVD- eller PECVD-skikt typiskt har en hög nivå av tryckspänningar beroende på en inneboende natur hos dessa beläggningsprocesser. I US 2005/0560432 beskrivs att blästring av aluminiumoxid+zirkoniumdioxid-CVD-skikt ger en tryckspänningsnivå.

Blästringsprocessen är känd för att introducera tryckspänningar i måttliga nivåer.

Metastabila faser av zirkoniumdioxid, såsom tetragonala eller kubiska faser, har visat sig ytterligare förbättra bulkkeramer genom en mekanism känd som transformationshärdning (Hannink et al, J. Er. Ceram. Soc 83 (3) 461 - 87; Evans, Er. Ceram. Soc. 73 (2) 187-206 (1990)). tillsatser av stabiliseringselement såsom Y eller Ce eller genom Sådana metastabila faser har visat sig främjas av närvaro av en syrefattig miljö, såsom vakuum (Tomaszewski et al, J. Mater. Lett 7 (1988) 778-80), som typiskt krävs i PVD- tillämpningar. Variation av PVD-processparametrar har visat sig Sci. förorsaka variationer i syrestökiometrin och bildningen av metastabila faser i zirkoniumdioxid, speciellt den kubiska zirkoniumdioxidfasen (Ben Amor et al, Mater. Sci. Eng. B57 (1998) 28).

PVD-multiskikt bestående av metallnitrider eller metallkarbider för skärande tillämpningar beskrivs i EP 0709483 där en symmetrisk multiskiktstruktur av metallnitrider och metallkarbider beskrivs och US 6,l03,357 som beskriver ett aperiodiskt, laminerat, multiskikt av metallnitrider och metallkarbider.

N 20 25 30 35 530 515 Svensk patentansökan nr. SE 0500867-7 och SE 0600104-4 beskriver skär för metallbearbetning på vilket, åtminstone på de funktionella delarna av ytan därav är en tunn, vidhäftande, hård och slitstark beläggning belagd. Beläggningen omfattar ett metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt bestående av två komponenter med en kornstorlek av 1 - 100 nm.

Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att tillhandahålla ett PVD- eller PECVD-belagt skärverktyg med förbättrade förslitningsegenskaper i kombination med förbättrat motstånd mot termiskt initierat haveri.

Fig. 1 är en schematisk representation av ett tvärsnitt taget genom ett belagt skärverktyg enligt föreliggande uppfinning som visar ett substrat (1) belagt med ett aperiodiskt, laminerat, multiskikt (2) med individuella metalloxid+metalloxid- nanokompositskikt Me1X (3), Me2X (4), vardera med en individuell skikttjocklek (5). Ordningsföljden för de individuella skikttjocklekarna är väsentligen aperiodiskt genom hela multiskiktet.

Enligt föreliggande uppfinning tillhandahålls ett skärverktyg för metallbearbetning såsom svarvning, fräsning och borrning omfattande ett substrat av en hård legering av hårdmetall, cermet, keramik, kubisk bornitrid eller snabbstàl, företrädesvis hårdmetall eller cermet, ovanpå vilket en slitstark beläggning omfattande ett laminerat multiskikt har deponerats. Formen på skärverktyget omfattar vändskär såväl som skaftverktyg såsom borrar, pinnfräsar etc. Beläggningen kan dessutom omfatta, under det laminerade multiskiktet, ett första, inre enkelskikt eller multiskikt av metallkarbider, metallnitrider eller metallkarbonitrider där metallatomerna är en eller flera av Ti, Nb, V, Mo, Zr, Cr, Al, Hf, Ta, Y eller Si med en tjocklek i området 0,2 till 20 pm enligt känd teknik.

Beläggningen är belagd ovanpå hela substratet eller åtminstone på de funktionella ytorna därav, t.ex. skäreggen, spånsidan, släppningssidan och andra ytor som deltar i metallbearbetningsprocessen.

Beläggningen enligt uppfinningen, är fast bunden till substratet och omfattar ett laminerat multiskikt av omväxlande PVD- eller PECVD-metalloxidskikt, Me1X+Me2X+Me1X+Me2Xm, där 10 U 20 25 30 35 530 515 metallatomerna Mel och Mez är en eller flera av Ti, Nb, V, Mo, Zr, Cr, Al, Hf, Ta, Y och Si, företrädesvis Hf, Ta, Cr, Zr och Al, helst Zr och Al, och där åtminstone en av Me1X och Me2X är ett nanokompositskikt av en dispergerad metalloxidkomponent i en metalloxidmatris, hädanefter betecknad som en metalloxid+metalloxid-nanokomposit. Skikten MeLX och Me2X är olika i sammansättning eller struktur eller båda dessa egenskaper.

Ordningsföljden för de individuella Me1X- eller Me2X- skikttjocklekarna är företrädesvis aperiodisk genom hela multiskiktet. Med aperiodisk är förstått att tjockleken av ett särskilt individuellt skikt i det laminerade multiskiktet inte beror på tjockleken av ett individuellt skikt omedelbart nedanför inte heller har den någon relation till ett individuellt skikt ovanför det särskilda individuella skiktet. Därför har inte det laminerade multiskiktet någon repetitionsperiod i ordningsföljden för de individuella beläggningstjocklekarna. Vidare är den individuella skikttjockleken större än 0,4 nm men mindre än 50 nm, helst större än 5 nm och mindre än 20 nm. Det laminerade multiskiktet har en total tjocklek av mellan 0,2 och 20 pm, företrädesvis 0,5 och 5 pm.

Ett individuellt metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt är sammansatt av två komponenter med olika sammansättning och olika företrädesvis större än 1 nm och mindre än 30 nm, struktur. Varje komponent är en oxid av en fas med ett metallelement eller en fast lösning av två eller flera metalloxider. Mikrostrukturen för materialet karakteriseras genom korn eller kolonner av nanostorlek av en komponent A med en genomsnittlig korn~ eller kolonnstorlek av 1 - 100 nm, företrädesvis 1 - 70 nm, helst 1 - 20 nm, omgiven av komponent B.

Det genomsnittliga linjära medelvärdet av interceptlängden för komponent B är 0,5 - 200 nm, företrädesvis 0,5 - 50 nm, helst 0,5 - 20 nm. p 1 Metalloxid+metalloxid-nanokompositskiktet är understökiometriskt i syreinnehåll med ett syre:metall- atomförhållande som är 85 - 99 %, företrädesvis 90 - 97 %, av det stökiometriska syre:metall-atomförhållandet_ Volyminnehållet av komponenterna A och B är 40 - 95 % respektive 5 - 60 %.

I en exemplifierad utföringsform av uppfinningen är Me1X ett metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt innehållande korn eller W 20 25 30 35 530 515 kolonner av komponent A, företrädesvis i form av tetragonal eller kubisk zirkoniumdioxid, och en omgivande komponent B, företrädesvis i form av amorf eller kristallin aluminiumoxid som är en eller båda av alfa-(d)- och gamma-(V)-faserna, och Me2X är ett A120;-skikt, och gamma~(y)-faserna. som företrädesvis är en eller båda av alfa-(d)- I en annan exemplifierad utföringsform av uppfinningen är Mefiš en metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt innehållande korn eller kolonner av komponent A i form av en oxid av hafnium och en omgivande komponent B i form av amorf eller kristallin aluminiumoxid varande en eller båda av alfa-(a)- och gamma-(V)- och Me2X är ett A120;-skikt, båda av alfa-(a)- och gamma-(V)-faserna. faserna, som företrädesvis är en eller I en annan exemplifierad utföringsform av uppfinningen är Mepš ett metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt innehållande korn eller kolonner av komponent A och en omgivande komponent B, och Me2X är ett metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt innehållande korn eller kolonner av komponent A och en omgivande komponent B, vari metallatomerna av komponent A i Me1X är olika metallatomerna i komponent A i Me2X och/eller metallatomerna av komponent B i Me1X är olika metallatomerna i komponent B i Mefih I ytterligare en exemplifierad utföringsform av uppfinningen är Me1X ett metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt innehållande korn eller kolonner av komponent A i form av tetragonal eller kubisk zirkoniumdioxid och en omgivande komponent B i form av amorf eller kristallin aluminiumoxid, och Me2X är ett metalloxid + metalloxid-nanokompositskikt innehållande korn eller kolonner av komponent A i form av tetragonal eller kubisk zirkoniumdioxid och. en omgivande komponent B i form av amorf eller kristallin aluminiumoxid, vari volyminnehàllet av komponent A i Me1X är >volyminnehållet av komponent A i Me2X, företrädesvis är volyminnehàllet av komponent A i Me1X åtminstone 2,5 % mer än volyminnehàllet av komponent A i Me2X i absoluta enheter, volyminnehàllet av komponent A i Me1X åtminstone 5 % mer än volyminnehàllet av komponent A i Me2X i absoluta enheter. helst är Det laminerade multiskiktet har även en restspänning som resultat av produktionsmetoden, en tryckspänning i området 200 och 5000 MPa, företrädesvis 1000 och 3000 MPa. Beläggningen kan N Ü 20 25 30 35 530 515 dessutom omfatta, ovanpå det laminerade multiskiktet, ett yttre enkelskikt eller multiskikt av metallkarbider, metallnitrider eller metallkarbonitrider där metallatomerna är en eller flera av Ti, Nb, V, Mo, Zr, Cr, Al, Hf, Ta, Y och Si. Tjockleken av detta skikt är 0,2-5 pm.

Skiktet enligt föreliggande uppfinning är tillverkat med PVD- teknik, PECVD-teknik eller en hybrid av sådana tekniker. Exempel på sådana tekniker är RF-(Radio Frequency)-magnetronsputtring, DC- magnetronsputtring och pulsad dubbel (”Dual”) magnetronsputtring (DMS). Skiktet bildas vid en substrattemperatur av 200-850°C. När typen av PVD-process tillåter, deponeras ett metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt med användning av ett källmaterial av kompositoxid. En reaktiv process med användning av metalliska källor i en omgivande reaktiv gas är en alternativ processväg. I de fall när produktionen av metalloxidskikten sker med en magnetronsputtringsmetod, kan två eller flera enkelmetallkällor användas där sammansättningen av metalloxid+metalloxid-nanokompositen styrs genom att slå pá och av separata källor. I en föredragen metod är källan en förening med en sammansättning som motsvarar den önskade skiktsammansättningen.

I fallet för RF-sputtring, kontrolleras sammansättningen genom att använda oberoende kontrollerade effektnivåer till de separata källorna.

Den aperiodiska skiktstrukturen kan bildas genom multipelrotation av substraten i storskaliga PVD- eller PECVD- processer. * Exempel 1 Ett aperiodiskt laminerat multiskikt bestående av alternerande metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt med A120; + ZrO2- och Al2O3- skikt, utfälldes pà ett substrat med användning av en RF- sputtring-PVD-metod.

Nanokompositskiktet utfälldes med en oxidkälla av hög renhet under olika processbetingelser i fråga om temperatur och kvoten zirkoniumdioxid till aluminiumoxid. Innehållet av de två oxiderna i det bildade nanokompositskiktet kontrollerades genom att använda en effektnivå på zirkoniumdioxidkällan och en separat effektnivá på aluminiumoxidkällan. Aluminiumoxid tillsattes till N U 20 25 30 35 530 515 zirkoniumdioxidflödet med målet att bilda ett kompositmaterial med metastabila ZrO2-faser. Källornas effektnivå i detta fallet var 80 W för vardera oxidkälla. Sputterhastigheten reglerades för att erhålla en två gånger högre at-% zirkonium jämfört med aluminium.

Syre:metall-atomförhållandet var 94 % av det stökiometriska syre:metall-atomförhållandet_ A120;-skiktet utfälldes med användning av aluminiumoxidkällor i en argonatmosfär. 9 De resulterande skikten analyserades med XRD och TEM.

Röntgendiffraktionsanalys visade inga spår av kristallin A143 i nanokompositskiktet, medan A120;-skiktet huvudsakligen bestod av gamma-Alflb.

TEM-undersökningen visade att den utfällda beläggningen bestod av ett laminerat multiskikt med omväxlande metalloxid+metalloxid- nanokompositskikt, omfattande korn med en medelkornstorlek av 4 nm (komponent A) omgivna av en amorf fas med ett genomsnittligt linjärt medelvärde av interceptlängden av 2 nm (komponent B), och gamma-A120;-skikt. Kornen i nanokompositskiktet var av kubisk ZrO2 medan den omgivande fasen hade ett högt aluminiuminnehäll. De individuella skikttjocklekarna sträckte sig från 6 till 20 nm och den totala multiskikttjockleken var omkring 1 pm.

Det relativa volyminnehållet av de två komponenterna A och B var ungefär 70 % respektive 30 %, som bestämdes från ERDA-analys och EDS-linjeskanningar från TEM-bilder.

Exempel 2 En laminerad multiskiktbeläggning bestående av omväxlande metalloxid + metalloxid-nanokompositskikt av A120; + ZrO2- och gamma-A120;-skikt utfälldes på ett substrat med användning av en reaktiv RF-sputtrings-PVD-metod med Al- och Zr-källor med hög renhet i en argon- och syreatmosfär. Innehållet av de två oxiderna i det bildade skiktet kontrollerades genom att använda en effektnivå på Zr-källan och en separat effektnivå på Al~kä1lan.

Sputterhastigheterna reglerades med målet att bilda ett kompositmaterial med 1-2 gånger högre at-% av zirkonium. Algh- skiktet utfälldes med användning av aluminiumkällor i en argon + syre-atmosfär.

W U 20 25 30 35 530 515 Röntgendiffraktionsresultaten visade närvaro av metastabila ZrO;-faser i nanokompositskiktet. TEM-undersökningen visade att den utfällda beläggningen bestod av ett laminerat multiskikt av omväxlande metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt, omfattande korn med en medelkornstorlek av 6 nm (komponent A) omgivna av en amorf fas med ett genomsnittligt linjärt medelvärde av interceptlängden av 3 nm (komponent B), och gamma-A145-skikt.

Kornen i nanokompositskiktet hade ett högt zirkoniuminnehåll medan den omgivande fasen hade ett högt aluminiuminnehàll. De individuella skikttjocklekarna sträckte sig från 10 till 20 nm och den totala multiskikttjockleken var omkring 3 pm.

Det relativa volyminnehället av de två komponenterna A och B var ungefär 75 % respektive 25 %, som bestämdes från ERDA-analys och EDS-linjeskanningar från TEM-bilder.

Exempel 3 En laminerad multiskiktbeläggning bestående av två omväxlande metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt av Al2O3+ZrO2 utfälldes pä ett substrat med användning av en dubbel magnetronsputtrings-PVD- metod med Al+Zr-källor med hög renhet i en argon- och syreatmosfär. Innehållet av de två oxiderna i de respektive bildade nanokompositskikten kontrollerades av det relativa innehållet av den tvà elementen i källorna. Substraten utsattes för en tredubbel rotation genom rotation av hela substratbordet, de separata hállarna för stavarna där substraten är monterade och de individuella stavarna.

Röntgendiffraktionsresultaten visade närvaro av metastabila ZrO2-faser i skikten. TEM-undersökningen visade att den utfällda beläggningen består av ett laminerat multiskikt av tvä omväxlande metalloxid + metalloxidnanokompositskikt, omfattande korn med en medelkornstorlek av 6 nm (komponent A). Kornen i skikten hade ett högt zirkoniuminnehåll medan den omgivande fasen hade ett högt aluminiuminnehàll. De individuella skikttjocklekarna sträckte sig frán 10 till 20 nm och den totala multiskikttjockleken var omkring 3 pm. ERDA-analys och EDS-linjeskanningar från TEM-bilder avslöjade att det laminerade multiskiktet bestod av omväxlande skikt: ett första skikt typ med ett volyminneháll av komponent A av omkring 70 % och komponent B av omkring 30, och en andra skikt- 530 515 typ med ett volyminnehåll av komponent A av omkring 50 % och komponent B av omkring 50 %.

Claims (9)

10 U 20 25 30 35 530 515 N Krav

1. Ett skärverktyg för metallbearbetning, omfattande ett substrat av hårdmetall, cermet, keramer, kubisk bornitrid eller snabbstàl, 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 beläggningen omfattar ett laminerat multiskikt av omväxlande PVD- eller PECVD- metalloxidskikt, Me1X+Me2X+Me1X+Me2Xm, där metallatomerna Mel och Meg är en eller flera av Ti, Nb, V, Mo, Zr, Cr, Al, Hf, Ta, Y och Si, företrädesvis Hf, Ta, Cr, Zr och Al, helst Zr och Al, och där åtminstone en av Me1X och Me2X är ett metalloxid+metalloxid- för vilket åtminstone på de funktionella delarna av nanokompositskikt sammansatt av två komponenter, komponent A och komponent B, med olika sammansättning och olika struktur, vars komponenter består av en oxid av en fas av ett metallelement eller en fast lösning av två eller flera metalloxider, vari skikten Me1X och Me2X är olika i sammansättning eller struktur eller båda dessa egenskaper och har individuella skikttjocklekar större än 0,4 nm, men mindre än 50 nm, och där det laminerade multiskiktet har en total tjocklek av mellan 0,2 och 20 um.

2. Skärverktyg enligt föregående krav k ä.n n e t e c k n a t av att de individuella Me1X- och Me2X-skikttjocklekarna är större än l nm och mindre än 30 nm.

3. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att beläggningen dessutom omfattar ett första, inre enkelskikt eller multiskikt av metallkarbider, metallnitrider eller metallkarbonitrider med en tjocklek mellan 0,2 och 20 um, där metallatomerna är valda från en eller flera av Ti, Nb, V, Mo, Al, Hf, Ta, Y eller Si.

4. Skärverktyg enligt något av föregående krav Zr, Cr, k ä n n e t e c k n a t av att beläggningen dessutom omfattar, ovanpå det laminerade multiskiktet, en yttre enkelskikt- eller multiskiktbeläggning av metallkarbider, metallnitrider eller metallkarbonitrider med en tjocklek mellan 0,2 och 5 um, där metallatomerna är valda från en eller flera av Ti, Nb, V, Mo, Cr, Al, Hf, Ta, Y eller Si. Zr,

5. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att komponent A har en medelkornstorlek av l - 100 nm, företrädesvis 1 - 70 nm, helst l - 20 nm. W U 530 515 H

6. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att komponenten B har ett genomsnittligt linjärt medelvärde av interceptlängden av 0,5 - 200 nm, företrädesvis 0,5 - 50 nm, helst 0.5 - 20 nm.

7. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att volymsinnehållet av komponent A och B är 40 - 95 % respektive 5 - 60 %.

8. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att komponenten A innehåller tetragonal eller kubisk zirkoniumdioxid och komponenten B består av amorf eller kristallin aluminiumoxid som är en eller båda av alfa-(d)- och gamma-(V)-faserna.

9. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att Me1X är ett metalloxid+metalloxid- nanokompositskikt och Me2X är ett kristallint aluminiumoxidskikt av en eller båda av alfa-(a)- och gamma-(V)-faserna.