SE530945C2 - Skärverktyg belagt med laminerade nanokompositskikt av metalloxider - Google Patents

Description

25 30 35 530 945 kan så uppnås genom optimering av en eller fler av de ovan nämnda 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 4,702,97O och 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 CVD-skikt av aluminiumoxid+zirkoniumdioxid 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 omvandlingshärdning (Hannink et al, J.

Er. Ceram. Soc 83 (3) 461-87; Er. (2) 187- 206 (1990)). Sådana metastabila faser har visat sig främjas av tillsatser av stabiliseringselement såsom Y eller Ce eller genom 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 förorsaka variationer i syrestökiometrin och bildning 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,lO3,357 som beskriver ett aperiodiskt, laminerat, multiskikt av metallnitrider och metallkarbider.

Evans, Ceram. Soc. 73 Sci. 10 Ü 20 25 30 35 53Ü 945 Svensk patentansökan nr. SE 0500867-7 och SE 0600104-4 beskriver skär för metallbearbetning på vilket, åtminstone på de funktionella delarna av ytan därav, en tunn, vidhäftande, hård och slitstark beläggning är belagd. Beläggningen omfattar ett metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt bestående av två komponenter med en kornstorlek av l - 100 nm.

Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att tillhandahålla ett PVD- eller PECVD-belagt skärverktyg där beläggningen har förbättrad slitstyrka i kombination förbättrade vidhäftningsegenskaper.

Fig. 1 är en schematisk representation av ett tvärsnitt taget genom ett belagt skärverktyg av föreliggande uppfinning som visar ett substrat, A, belagt med ett laminerat multiskikt, B, omfattande omväxlande metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt av typ C och metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt av typ D.

Enligt föreliggande uppfinning tillhandahålls ett skärverktyg för metallbearbetning såsom svarvning, fräsning och borrning omfattande ett substrat av en hård legering av hårdmetall, cermet, keramer, kubisk bornitrid eller snabbstål, företrädesvis hàrdmetall 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, åtminstone 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 um enligt känd teknik. Beläggningen är belagd ovanpå hela substratet eller åtminstone på de funktionella ytorna därav, t.ex. skäreggen, spànsidan, släppningssidan och andra ytor som deltar i metallbearbetningsprocessen.

Beläggningen enligt uppfinningen, är fast bunden till substratet och omfattar ett laminerat multiskikt med omväxlande PVD- eller PECVD-metalloxidskikt, Me1X+Me2X+Me1X+Me2Xm, där metallatomerna Mel och Mez är en eller flera av Ti, Nb, V, Mo, Zr, 10 U 20 25 30 35 53Û 945 Cr, Al, Hf, Ta, Y och Si, företrädesvis Hf, Ta, Zr och Al, helst Zr och Al, och där åtminstone en av MeLX och Me2X är ett nanokompositskikt av en dispergerad metalloxidkomponent i en metalloxidmatris, hädanefter betecknad en metalloxid+metalloxid- nanokomposit, och vari det laminerade multiskiktet har en sammansättningsgradient, med avseende på koncentrationen av en eller flera av metallatomerna i riktningen från den yttre ytan av beläggningen mot substratet, vari gradienten är sådan att skillnaden mellan den genomsnittliga koncentrationen i det yttersta området av multiskiktet och den genomsnittliga koncentrationen i det innersta området av multiskiktet åtminstone är 5 at-% i absoluta enheter. Skikten Me1X 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 under inte heller har den någon relation till ett individuellt skikt ovanpå 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, företrädesvis större än 1 nm och mindre än 30 nm, helst större än 5 nm och mindre än 20 nm. Det laminerade multiskiktet har en total tjocklek av mellan 0,2 och 20 um, företrädesvis 0,5 och 5 um.

Ett individuellt metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt är sammansatt av åtminstone två komponenter med olika sammansättning och olika 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 av korn eller kolonner i nanostorlek av en komponent A med en medelkorn- eller kolonnstorlek av l - 100 nm, företrädesvis 1 - 70 nm, helst 1 - 20 nm, omgivna av en 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.

Metalloxid+metalloxid-nanokompositskiktet kan vara understökiometriskt i syreinnehåll med ett syrezmetall- 10 20 25 30 35 53Ü 945 atomförhållande som är 85-99 %, företrädesvis 90-97 %, av det stökiometriska syre:metall-atomförhållandet.

Volymsinnehållet av komponenterna A och B är 40-95 % respektive 5-60 %.

I en exemplifierad utföringsform av uppfinningen är det laminerade multiskiktet utfällt direkt ovanpå ett första, inre enkelskikt eller multiskikt av metallkarbider, metallnitrider eller metallkarbonitrider där metallatomerna är en eller flera av Ti, Nb, v, M0, zr, cr, A1, Hf, fra, Y och si med en tjocklek i området 0,2 till 20 um, där en eller flera av metallatomerna av åtminstone ett metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt är en starkare karbid- eller nitridbildare än en eller flera av metallatomerna i det första, inre enkelskiktet eller multiskiktet.

Dessutom är det föredraget, i det laminerade multiskiktet, att koncentrationen av metallatomerna som är de starkare karbid- eller nitridbildarna i åtminstone ett metalloxid+metalloxid- nanokompositskikt ökar i riktningen från den yttre ytan av beläggningen mot substratet.

I en exemplifierad utföringsform av föreliggande uppfinning är Megx 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.

Komponent A i Me1X är densamma som komponent A i Me¿X som är komponent B i Me1X och Me2X, men metallatomerna i komponent A är olika metallatomerna i komponent B. Volyminnehållet av komponent A i Me1X är > volyminnehàllet av komponent A i Me2X, företrädesvis är volyminnehàllet av komponent A i Me1X är åtminstone 2,5 % mer än volyminnehàllet av komponent A i Me2X i absoluta enheter, helst är volyminnehàllet av komponent A i Me1X åtminstone 5 % mer än volyminnehàllet av komponent A i Me2X i absoluta enheter. Det laminerade multiskiktet har en sammansättningsgradient av metallatomerna i komponent A, såväl som en sammansättningsgradient av metallatomerna i komponent B, riktningen av ett ökande metallatominnehàll i det laminerade multiskiktet är motsatt för komponent A och komponent B, beroende på en förändring i relationen av de genomsnittliga Me1X- och/eller Me2X- skikttjocklekarna genom multiskiktet. 10 20 25 30 35 530 545 I en annan exemplifierad utföringsform av föreliggande uppfinning är MegX ett metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt och Me2X är ett metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt. Metallatomerna i komponent A i Me1X är olika metallatomerna i komponent A i Me2X.

Komponent B i Me1X är densamma som komponent B i Me2X. Ö Volyminnehàllet av komponent A i Me1X är lika som volyminnehållet av komponent A i Me2X. Det laminerade multiskiktet har en sammansättningsgradient av metallatomer i komponent A, beroende på en förändring i relationen av de genomsnittliga Me1X- och/eller Me2X- skikttjocklekarna genom multiskiktet. Det genomsnittliga innehållet av metallatomer i komponent A av Me1X kan t.ex. vara nära noll procent i den innersta delen av multiskiktet, dvs. den genomsnittliga Me1X-skikttjockleken är nära noll, därför maximeras det genomsnittliga innehållet av metallatomer i komponent A i Me2X.

Det genomsnittliga innehållet av metallatomer i komponent A i Me1X kan öka till ett maximalt innehåll mot den yttersta delen av multiskiktet beroende på en gradvis ökad genomsnittlig Me1X- skikttjocklek mot den yttersta delen av multiskiktet.

I en annan exemplifierad utföringsform av föreliggande uppfinning omfattar det första, inre enkelskiktet eller multiskiktet en Ti-baserad karbid, nitrid eller karbonitrid. Me1X är ett metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt innehållande korn eller kolonner av komponent A, företrädesvis i formen 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-(y)- faserna, och Me2X är en A120; skikt, företrädesvis varande en eller båda av alfa-(d)~ och gamma-(V)-faserna. Det laminerade multiskiktet har en sammansättningsgradient av metallatomer i komponent A, beroende på en förändring i relationen av genomsnittliga Me1X- och/eller Me2X- skikttjocklekar genom multiskiktet.

I en annan utföringsform omfattar det första, inre enkelskiktet eller multiskiktet en Ti-baserad karbid, nitrid eller karbonitrid. Me1X är ett metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt innehållande korn eller kolonner av komponent A i formen av en oxid av hafnium och en omgivande komponent B i form av amorf eller kristallin aluminiumoxid som är en eller båda av alfa-(d)- och 10 20 25 30 35 530 945 gamma-(Y)-faserna, och Me2X är ett A120;-skikt, som företrädesvis är en eller båda av alfa-(d)- och gamma-(Y)-faserna. Det laminerade multiskiktet har en sammansättningsgradient av metallatomer i komponent A, beroende på en förändring i relationen av de genomsnittliga Me1X- och/eller Me2X-skikttjocklekarna genom multiskiktet.

Beläggningen kan dessutom omfatta, ovanpå det laminerade multiskiktet, åtminstone 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 um.

Skiktet enligt föreliggande uppfinning är tillverkat med PVD- teknik, PECVD-teknik eller en hybrid av sådan tekniker. Exempel på sådana tekniker är RF-(”Radio Frequency”)-magnetronsputtring, DC- magnetronsputtring och pulsad dubbel (”Dual”) magnetronsputtring (DMS). Skiktet är bildat vid en substrattemperatur av 200 - 850°C.

När typen av PVD-process tillåter, deponeras ett metalloxid+metalloxid-nanokompositskikt med användning av ett kompositoxidkällmaterial. En reaktiv process med användning av metalliska källor i en omgivande reaktiv gas är en alternativ processväg..I fallet där metalloxidskiktet produceras med en magnetronsputtringsmetod, kan två eller flera enkelmetallkällor användas där sammansättningen av metalloxid+metalloxid- nanokompositen styrs genom att slå av och på separata källor. I en föredragen metod är källan en förening med en sammansättning som reflekterar 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- PJCOCSSSGIÉ .

Exempel 1 Ett aperiodiskt laminerat multiskikt bestående av omväxlande metalloxid+metalloxid-nanokomposit Al2O3 + ZrO2-skikt och Al2O3- skikt, utfälldes på ett substrat med användning av en RF- sputtrings-PVD-metod.

N U 20 25 30 35 530 945 Nanokompositskiktet utfälldes med oxidkällor av hög renhet med användning av olika processbetingelser med avseende på 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 effektnivå på aluminiumoxidkällan. Aluminiumoxid tillsattes till zirkoniumdioxidflödet med avsikt att bilda ett kompositmaterial med metastabila ZrO2-faser. Källornas effektnivå i detta fall var 80 W på varje oxidkälla. Sputterhastigheterna reglerades så att en tvâ gànger högre at-% av zirkonium erhölls jämfört med aluminium. Syre:metall-atomförhållandet var 94 % av det stökiometriska syre:metall-atomförhållandet.

Al2O3-skiktet utfälldes med användning av aluminiumoxidkällor i en argonatmosfär.

Sputtringstiderna för respektive omväxlande skikt valdes för att efter hand öka Al2O3-skiktets tjocklek mot beläggningens yta.

De resulterande skikten analyserades med XRD och TEM.

Röntgendiffraktionanalysen visade inga spår av kristallin Al2O3 i nanokompositskiktet, medan Al$b~skikten huvudsakligen bestod av gamma-Al2O3.

TEM-undersökningen visade att den utfällda beläggningen bestod av ett laminerat multiskikt av 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-Al2O3-skikt. Kornen i nanokompositskiktet var kubisk ZrO2 medan den omgivande fasen hade högt aluminium innehåll. De individuella skikttjocklekarna sträckte sig från 4 till 20 nm och den totala multiskikttjockleken var omkring l um. Den successiva ökningen i Al2O3-skikttjockleken mot beläggningsytan resulterade i en Zr~gradient sådan att det genomsnittliga Zr-innehållet var omkring 30 at-% högre, i absolut enheter, i det innerst området än i det yttersta området av multiskiktet, mätt som ett genomsnittligt Zr-innehåll över flera pà varandra följande skikt i de respektive områdena med användning av EDS.

Det relativa volymsinnehållet av de två komponenterna A och B i nanokompositskiktet var ungefär 70 % respektive 30 %, som bestämts genom ERDA-analys och EDS-linjeskanning från TEM-bilder.

Claims (10)

10 ß 20 25 30 35 530 945 Krav

1. Ett skärverktyg för metallbearbetning, omfattande ett substrat av hårdmetall, cermet, keramer, kubisk bornitrid eller snabbstål, för 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 beläggningen omfattar ett laminerat multiskikt av omväxlande PVD- eller PECVD- metalloxidskikt, Me1X+Me2X+Me1X+Me¿Xm, där metallatomerna Mel och Mez är en eller flera av Ti, Nb, V, Mo, Zr, Cr, Al, Hf, Ta, Y och Si, företrädesvis Hf, Ta, Zr och Al, helst Zr och Al, och där åtminstone en av Me1X och Me2X är ett metalloxid+metalloxid- 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 Mepš och Me2X är olika i sammansättning eller struktur eller i 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 och har en sammansättningsgradient, med avseende på koncentrationen av en eller flera av metallatomerna, i riktningen från den yttre ytan av beläggningen mot substratet, vari gradienten är sådan att skillnaden mellan den genomsnittliga koncentrationen i det yttersta området av multiskiktet och den genomsnittliga koncentrationen i det innersta området av multiskiktet är åtminstone 5 at-% i absoluta enheter.

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 1 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, Zr, Cr, Al, Hf, Ta, Y eller Si.

4. Skärverktyg enligt krav 3 k ä n n e t e c k n a t av att en eller flera av metallatomerna i det åtminstone ett av metalloxid+metalloxid-nanokompositskikten är en starkare karbid- W 15 20 25 30 530 945 l0 eller nitridbildare än en eller flera av metallatomerna i det första, inre enkelskiktet eller multiskiktet.

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

6. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att komponenten A har en medelkornstorlek av l-100 nm, företrädesvis l-70 nm, helst l-20 nm. Zr,

7. 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.

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

9. 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-(a)- och gamma-(v)faserna.

10. 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.