SE522722C2 - Skärverktyg belagt med titandiborid - Google Patents

Description

W U 20 25 30 35 522 222 US 4,0l9,873 beskriver ett belagt hårdmetallskär. Beläggning- en är sammansatt av två överlagrade skikt omfattande ett yttre förslitningsresistent skikt bestående väsentligen av aluminiumoxid och/eller zirkonoxid. Det inre skiktet är sammansatt av åtminstone en borid vald från gruppen bestående av borider av elementen ti- tan, zirkonium, hafnium, vanadin, niob, tantal, krom, molybden och volfram.

US 4,268,582 beskriver ett belagt hårdmetallskär som omfattar ett hårdmetallsubstrat, med ett ytområde där via diffusion av ett element såsom bor, kisel eller aluminium en ytzon påverkats. Upp- finningen omfattar ytterligare ett skikt på det diffusionsbehand- lade substratet, av en borid såsom titanborid, hafniumborid, zir- koniumborid eller tantalborid. I en annat utförande omfattas att det belagda skäret har ytterligare ett mellanskikt mellan det dif- fusionsbehandlade substratet och boridskiktet.

Båda dessa patent utfäller TiB2-skiktet med CVD. Men på grund av den höga temperaturen under CVD-beläggning bildas icke önskvär- da koboltborid-faser. Av det skälet är beläggning av TiB2-skikt på WC-Co baserade substrat med PVD-metoder att föredra.

C. Mitterer, M. Rauter och P. Rödhammer, Surf. Coat. Tech- nol., 41 (1990) 351-363 har växt TiB2-skikt med magnetronsputtring med användning av negativ substratförspänning. Skikten erhöll höga kompressiva restspänningar (~-4 GPa).

R. Wiedemann och H. Oettel, Surface Engineering, 14 4 (1998) 299-304 har också växt TiB2-skikt med användning av magnetrön- sputtring. En negativ substratförspänning användes som resulterade i en inre kompressiv restspänning av ~-2 GPa. Hårdheten var låg 25-29 GPa.

En möjlighet att erhålla ett tillstånd av låg kompressiv restspänning för boridskikt skulle vara att t ex växa vid ett högt totaltryck, eller vid andra betingelse som reducerar jonbombarde- manget, men dessa metoder kommer att ge ett skikt med en kolumnär struktur, ofta associerat med icke täta korngränser, och en blom- kålsformad ytmorfologi. Denna mikrostruktur är inte önskvärd ef- tersom typisk tillämpning av TiB2-skikt är t ex bearbetning av mjuka och kletande aluminiumlegeringar, som kräver att belägg- ningen har en mycket jämn ytmorfologi för att reducera tendensen till löseggsbildning. Naturligtvis är icke-täta korngränser skad- ligt för förslitningsmotståndet av beläggningen.

W U 20 25 30 35 522 122 ~ Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att förelägga ett TiB2-belagt hårdmetallskär.

Det är ett ytterligare syfte med föreliggande uppfinning att förelägga en metod för tillväxt av TiB2-skikt med låga kompressiva restspänningar. TiB2-skikten med låg kompressiv restspänning skall också bestå av en tät, fibrös mikrostruktur, och ha en jämn ytmor- fologi.

I den följande beskrivningen betecknar restspänningstillstån- det, otot, den totala restspänningen av en beläggning på det aktu- ella substratet, d v s. summan av de termiska spänningarna, otermisk, orsakad av skillnad i längdutvidgningskoefficient mellan substrat och beläggningsmaterial, och de inre restspänningarna, aint, härstammande från den aktuella tillväxtprocessen, d v s. otot = “termisk + Üint- Figur l visar mikrostrukturen på en brottyta av ett relativt tunt skikt TiB2-skikt (3 um) enligt föreliggande uppfinning.

Figur 2 är en motsvarande bild av ett tjockt skikt (60 pm).

Figur 3 visar schematiskt den använda magnetronsputtringut- rustningen där S = substrat P = pumpenhet M = magnetronsputtringkälla Vs = substratpotential (förspänning) IS = substratström Vt = targetpotential It = targetström Figur 4 visar ett TEM mikrostrukturfoto av ett tunt skikt (4 pm).

Enligt föreliggande uppfinning föreligger ett skärverktyg för spànavskiljande bearbetning av, i första hand, icke-järnmaterial såsom aluminiumlegeringar, omfattande en kropp av en hård legering av hårdmetall, cermet, keramik eller snabbstål ovanpå vilken en hård och slitstark refraktär beläggning är utfälld. Den slitstarka beläggningen är sammansatt av ett eller flera skikt av refraktära föreningar av vilka åtminstone ett skikt, företrädesvis det yt- tersta skiktet, består av TiB2 och att de innersta skikten, om nå- got överhuvudtaget, mellan verktygskroppen och TiB2-skiktet, är sammansatt av metallnitrider och/eller -karbider och/eller -oxider med metallelementet valt från Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W och 10 15 20 25 30 35 40 522 7220 Al. TiB2-skiktet består av tät, kristallin TiB2 fritt från sprick- or med en finkornig fibrös morfologi beskriven nedan.

Det finkorniga fibrösa TiB2-skiktet kan även utfällas direkt på skärverktygets substrat av hårdmetall, cermet, keramik eller snabbstål och tjockleken av sagda TiB2 varierar då mellan 0,5 och 60 um företrädesvis mellan 1 och 15 um för metallbearbetning. Den totala beläggningstjockleken enligt föreliggande uppfinning varie- rar mellan 0,5 och 60 pm, företrädesvis mellan 1 och 20 um, med tjockleken av de icke-TiB2-skikten varierande mellan 0,1 och 15 pm. Ytterligare skikt av metallnitrider och/eller -karbider och/eller -oxid med metallelementet valt från Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W och Al kan vara växta ovanpå TiB2-skiktet.

I ett alternativt utförande kan processen enligt föreliggande uppfinning användas att utfälla skikt tjockare än 50 pm med bibe- hållna mekaniska egenskaper och vidhäftning mot substratet, bero- ende på processens förmåga att växa skikt fria från inre restspän- ningar.

I ytterligare ett alternativt utförande kan tunna skikt 0,2 - 3 pm med en förbättrad effektiv vidhäftning växas.

I det föredragna utförandet är TiB2-skiktet det yttersta skiktet och med en genomsnittlig ytfinhet Ra av lägre än 50 nm.

Denna uppfinning avser speciellt ett skikt bestående av en fibrös morfologi. PVD-skikt har normalt en kolumnär morfologi, d v s några korn har en tendens att öka i diameter på bekostnad av andra korn. Men TiB2-skikt enligt föreliggande uppfinning är växt på ett sätt där den fibrösa morfologin behålls nästan opåverkad från en skikttjocklek av 0,2 um upp till mer än 60 um. Denna mor- fologi är i de flesta fall att föredra om en hög kohesiv styrka av korngränser kan uppnås. Det är förmodligen på grund av beläggning- ens fina kornstorleken i riktningen i vilken abrasiv förslitning äger rum, och den större kornstorlek i riktningen av den kompres- siva spänningen härstammande från bearbetningsoperationen, som ger ett i praktiken segare beläggningsmaterial. Figur l visar en brottvärsnittsyta av ett relativt tunt skikt (4 pm) och figur 2 en likadan bild av ett tjockt skikt (60 pm). Det är klart tydligt att morfologin är nästan opåverkad av skiktets tjocklek. Figur 4 visar ett TEM-mikrostrukturfoto av ett tunt skikt (4 pm). Efter den första finkorniga kärnbildningszonen, omkring 100 nm tjock, ut- vecklas den fibrösa morfologin. Kornen är typiskt 5-50 nm, före- trädesvis 10-30 nm och i genomsnitt ~l5 nm i diameter med en längd 15 20 25 30 35 522 722 5 av mer än 250 nm, företrädesvis mer än 400 nm. De fibrösa kornen har ett längd till diameterförhållande, l/d > 2, företrädesvis > 5, och d varierar inte mycket över kornens längd. Fibrerna är ori- enterade vinkelrätt mot substratytan.

Det finkorniga, fibrösa kristallina TiB2-skiktet enligt denna uppfinning är starkt texturerat i [001]-riktningen. En texturkoef- ficient, TC, kan definieras som: I(hkl) 1 I(hkl) -1 Tcmkl) = 10mm) G1 2 :Oulkifl där I(hkl) = uppmätt intensitet av (hkl) reflexen IO(hkl) = standardintensitet enligt ASTM standard powder pat- tern diffraction data (JCPDS 35-0741) n = antal reflexer använda i beräkningen (i detta fall 8) (hkl) reflexer som används är: (001), (100), (101), (110) (102 + 111), (201), (112) och (103 + 210). Där t ex (103 + 210) innebär att de två, mycket närliggande reflexerna, behandlas som en reflex med summan av intensitet av de tvà. Enligt föreliggande uppfinning är TC för (001)-kristallplan är större än 5, företrä- desvis större än 6,5.

Dessutom uppvisar TiB2-skikt enligt föreliggande uppfinning ett restspänningstillstànd av cum <0 GPa men större än -1 GPa, fö- utfällt på WC-6 vikt% Co substrat. Detta motsvarar ett inre spänningstillstånd, reträdesvis -0,5 GPa, nära noll. De termiska Üint r spänningarna, aflænml, kan beräknas med användning av E O-thermal = 'íjlï ' (af _ asub) I (Tdep _ 11mm) (1-vf) där Ef och.vf är elasticitetsmodulen och Poissons tal för skiktet, respektive. af and mmm längdutvidgningskoefficienten för skikt och substratmaterial. Tdep och Tana beläggnings- och analys- temperatur i K. Det är viktigt att göra uppskattningen av de ter- miska spänningarna med användning av längdutvidgningskoefficienten i a-riktningen av TiB2-gittret, eftersom beroende på texturen (001) är nästan alla korn orienterade så att denna riktning är pa- rallell med substratytan. Med användning av amm = 4,8*10%, afißla = 10 15 20 25 30 35 40 3522 6722 3,56*1o'6,Ef = tionen ovan fås oflænml = -0,5 GPa. 600 GPa, vf = 0,22, Tdep = 773 K, Tana = 273 K i ekva- Restspänningen, cum, bestäms med användning av den välkända beam-deflectiontekniken.

Den inre spänningen kan sedan erhållas genom att använda ek- vationen: Gin: = Gro: ' Grhennal Den inre restspänningen, cum, hos beläggningar växta med posi- tiv förspänning blir därför: -0,5 - (-0,5) = i ett nära spänningsfritt tillstånd. ann = Q_§§a, d v s dessa beläggningar är växta Enligt metoden i föreliggande uppfinning växes TiB2-skikt med låga kompressiva restspänningar med magnetronsputtring av en TiB2- target under följande betingelser: Magnetroneffekt: 3 -20 kW Substratström Is: -1 - -15 A Atmosfär: Ar Tryck: <10Q mbar, företrädesvis Förspänning VS: >O företrädesvis > +5 V men < +60 V. Substrat- strömmen IS ändrar polaritet på grund av den positiva VS. Detta motsvarar lågenergetiskt jonbombardemang och elektronbombardemang av den växande skiktytan.

Skikt som växt med standardteknologi med användning av nega- tiv VS har erhåller en kolumnär struktur. Här beskriver "kolumnär struktur" en skiktmorfologi där kornen, efter den inledande kärn- bildningszonen, har konisk form några med ökande diameter (i pla- net parallellt med substratytan), och andra korn med minskande diameter. Detta tillväxtsättet styrs av konkurrens mellan olika korn där några växer ut andra. Å andra sidan består skikt växta med positiv substratförspän- ning enligt denna uppfinning av en fibrös morfologi. Inga andra element än Ti, B och små föroreningar av Ar återfinns i skikten, vilket innebär att ingen sputtring från kammarväggarna äger rum fastän plasmapotentialen förmodligen är hög, när en positiv poten- tial anbringas.

Det kan antas att den låga restspänningsnivån hos skikt en- ligt föreliggande uppfinning beror på en kombination av tre effek- ter: För det första, en ökad bulktemperatur och därmed ökad ad- atomrörlighet. För det andra, minimering av energetiskt jonbombar- demang under tillväxt. För det tredje, ett elektronbombardemang av 10 15 20 25 30 35 522 7722 f ytan som förbättrar ytrörligheten och ökar kärnbildningshastig-he- ten. Det är också sannolikt att elektronströmmen ökar desorp- tionshastigheten för absorberade väte- och/eller vattenmolekyler från ytan. Allt detta tillsammans resulterar i drastiskt reducerad kompressiv restspänning jämfört med skikt växt med negativ sub- stratförspänning.

Restspänningstillstàndet för skikt växta enligt föreliggande uppfinning är nästan fria från inre restspänning, d v s det svagt kompressiva restspänningstillståndet som uppmätts härrör endast från skillnad i längdutvidgningskoefficienten mellan substratet och skiktet.

Exempel 1 TiB2-skikt växtes i ett kommersiellt tillgängligt belägg- ningssystem avsett för tunnfilmbeläggning utrustat med en DC mag- netron sputterkälla med en TiB2-target (l2,5x25,5 cm2).

Spegelglanspolerade hårdmetallsubstrat med sammansättningen 6 vikt% Co och 94 vikt% WC användes. WC-kornstorleken var omkring l um och hårdheten var 1650 HVlO.

Före beläggningen rengjordes substraten i ett ultraljudbad med en alkalilösning och i sprit. Substraten var stillastående po- sitionerade 5 cm ovanför magnetronen och värmda med en elektron- stråle i 50 min till omkring 450 OC. Omedelbart efter uppvärm- ningen, argon-jonetsades substraten (jonströmdensitet 5,4 mA/cm2) i 30 minuter med användning av en substratförspänning av -200V.

Den efterföljande TiB2-beläggningen utfördes vid följande sju -200V, -ll0V, +lOV, +25V, +35V och +50V. En magnetroneffekt av 6 kW, resulterande i en tar- olika substratförspänningspänningar, VS; getpotential av omkring 500V och ett Ar-tryck av 3x1O'3 mbar upp- rätthölls vid beläggningen med alla skikt. Den resulterande tjock- leken av de positivt förspända skikten var ~ 4 um. De negativt förspända skikten gjordes något tunnare (~ 3 um) för att undvika skikthaveri beroende på deras högre restspänningar. Substrattempe- raturen mättes med ett termoelement fäst på substrathållaren.

Substratströmmen IS var +l,2 A för negativ Vs oavsett spän- ning. Vid ändring från negativ till positiv VS ändrade substrat- strömmen tecken från positiv till negativ. Strömmen befanns också öka med ökande positiv V5 upp till +25V varefter den planade ut till omkring 13 A vid ytterligare ökning av Vs.

W Ü 20 25 30 35 40 522 722 Användning av en positiv Vs resulterade i att substrattempera- turen vid slutet av beläggning Tdep ökade omkring 200 °C mer än med användning av negativ V5. Men de olika positiva eller negativa VS påverkade inte signifikant Tdep.

Röntgendiffraktionsanalys visade att alla filmer uppvisade hexagonal hcp-TiB2-fas med en kraftig (001) textur med en textur- koefficient definierad enligt ovan av 6,5 eller mer, d V s nästan inga andra toppar upptäcktes. FWHM-värdet för toppen 001 visade att skikt växta med positivt Vg erhöll skarpare toppar än de växta med negativ Vs. Inget inflytande sågs på FWHM inom det positiva in- tervallet av Vs, medan för negativ Vs, ökade FHWM med ökande nega- tiv Vs.

SEM studier av brottytan i tvärsnitt visade kolumnär struktur för skikt växta med negativ VS. Den var mer uttalad för -200V än för -ll0V. För positiv VS observerades ingen kolumnär tillväxt. Men EDS-ana- lys visade att alla skikt var lätt överstökiometriska med avseende på B. Ti/B-förhållandet var typiskt 0,46 för alla skikt oberoende i högre förstoring observerades en tät, fibrös morfologi. av VS. Skikt växt med negativ Vs innehöll så mycket som 8 at% Ar för Vs = -200V, medan vid användning av positiv Vs kunde ingen Ar upptäckas. Inga andra element än Ti, B och Ar kunde hittas i något skikt.

Genom att använda en positiv VS, erhölls skikt med ett lågt kompressivt restspänningstillstånd, cum av z -0,5 GPa. miska restspänningstillståndet. Å andra sidan gav användning av oberoende av värde, Detta restspänningstillstånd motsvarar ungefär det ter- negativ Vs skikt med höga kompressiva restspänningar i intervallet -7 till -10 GPa.

Alla skikt uppvisade H och E värden av omkring 50 GPa och 600 GPa (mätt med nanoindentationsteknik).

Den abrasiva förslitningshastigheten var omkring 25-30 um3/mmN för alla skikt utom det växt med VS = -200 V, som visade omkring 50% högre förslitningshastighet än de andra.

Från ett repprov kunde det konstateras att vidhäftningen var god för alla skikt, haveriet av kohesiv typ. Det var ingen signifikant skillnad i kri- och i samtliga fall var det begynnande skikt- tisk last FNIC bland Skikten växta med positiv substratförspän- ning. De var alla i 42-46 N intervallet. Skikten växta med negativ VS uppvisade en lägre FNIC, omkring 25-30 N, och även en högre mängd av kohesiva haverier vid kanten av repan, än skikt växta med 10 15 20 522 722 9 positiv Vs. Repprovet demonstrerar att beläggningar enligt förelig- gande uppfinning har starkt förbättrade seghetsegenskaper jämfört med beläggningar växta med användning av negativ förspänning.

Ytfinheten, Ra, vändning av ett Wyco MD-2000 instrument. Naturligtvis kommer Ra mättes med en interferometrisk metod med an- för beläggningen påverkas av ytfinheten hos substratet för tunna Ra för substratet i detta exem- (~5 nm till Det är uppenbart att ytfinheten minskar beläggningar som i detta exempel. pel var ~ 5 nm, d v s ökningen i Ra efter beläggning ~2O nm) vid ändring av substratförspänning, VS, är ytterst liten. från negativ till positiv, se tabell l. Men ingen signifikant skillnad kan ses mellan olika beläggningar växta med olika positiv substratförspänning.

Tabell l. Förspänning och egenskaper hos TiB2-skikten.

Vs FWHM 6 [GPa] H E FN, C Förslit- Ra Struktur [V] (001) [GPa] [GPa] [N] nings- [nm]

[26] hastig- het Iuma/mmN] -200V 0,495 -10,510,8 5015 605170 2911 6117 75 Kolumnär -110V 0,453 -7,11o,6 5213 600165 2511 3215 60 Kolumnär +10v 0,287 -O,510,2 4814 580170 4511 2616 22 Fibrös +25v 0,304 -0,310,2 4917 560195 4311 3618 18 Fibrös +35v 0,286 -0,710,2 5317 640150 4613 3217 20 Fibrös +50v 0,290 -O,510,2 5419 600185 4211 2513 15 Fibrös Exempel 2 Hàrdmetallskär i form av en utbytbar pinnfräs MM16-20020- Bl20PF-M04 (WC-6 vikt%Co) belades med ett 30 um tjockt skikt av TiB2 enligt exempel l med användning av en substratförspänning, Vs, av +50 V. Den belagda fräsen prövades mot en obelagd variant av samma verktyg i en kopierfräsningsoperation av grafit, vid 4000- 6000 rpm, matning 700 mm/min.

Variant Livslängd, h Haverisätt Obelagd 10 Fasförslitning, Vbmax 0,3 mm TiB2-belagd 40 Inte vid slutet av livslängden, Vbmax 0,1 mm N U 20 25 30 522 722 Exempel 3 Skär belagda med TiB2 enligt exempel 1 provades. Beläggning av TiN (tidigare känd) jämfördes med två olika TiB2-belagda vari- anter, växta med användning av Vs av -110 V och +50 V. Även en obe- lagd variant provades. Hàrdmetallskäret hade en polerad spànsida före beläggning. Eggavrundningen var skarp. Hàrdmetallen hade en 0,5 vikt-% TaC/NbC balans WC.

TiN- eller TiB2-beläggningarna hade en total tjocklek av 3,0-4,0 pm. sammansättning av 6,0 vikt-% Co, Operation: Hörnfräsning Arbetsstycke: Plåt Material: AA7075 Skärtyp: TOP160408FR-E08 Skärhastighet: 800 m/min Matning: 0,2 mm/varv Skärdjup: 6,0 - 10,0 mm Anmärker: torrfräsning Tabell 1 Variant Tid till första Grad av lös- Fasförslitning bildning av eggsbildning Vbmax (mm) lösegs (h) Obelagd 2,3 Svår 0,18 TiN 1,1 Svår 0,11 TiB2 3,8 Liten 0,05 (Vs = -110 V) TiB2 6,2 Ingen Inte mätbar (Vs = +50 V) Exempel 4 Enligt exempel 3 men med användning av en lägre skärhastighet för att främja löseggsbildning.

Operation: Hörnfräsning Arbetsstycke: Plåt Material: AA7075 Skärtyp: TOPl60408FR-E08 Skärhastighet: 650 m/min 522 722 Matning: 0,2 mm/varv Skärdjup: 6,0-10,0 mm Anmärkning: torrfräsning Variant Tid till första Grad av lösegg Fasförslitning bildning av Vbmax (mm) lösegg (tim) Obelagd 0,5 Mycket svår 0,21 TiN Omedelbar Mycket svår 0,18 TiB2 4,0 Tung 0,08 (VS = -110 V) TiB2 6,5 Liten Inte mätbar (Vs = +50 V)

Claims (4)

W U 20 25 30 522 7222 Krav

1. Skärverktyg för spånavskiljande bearbetning av icke-järn- material omfattande ett substrat av hårdmetall, cermet, keramik eller snabbstàl och en beläggning av ett eller flera skikt av refraktära föreningar omfattande åtminstone ett skikt av TiB2 k ä n n e t e c k n a t av att TiB2-skiktet har en fibrös struktur där kornen är 5-50 nm, företrädesvis 10-30 nm i genomsnitt ~15 nm i diameter, och mer än 250 nm, företrädesvis mer än 400 nm långa, med ett längd till diameter förhållande 1/d > 2, 5, och de fibrösa kornen är orienterade väsentligen vinkelrätt mot företrädesvis > substratytan växt med magnetronsputtringmetod, varvid substratförspänningen, Vg, är >0 V, företrädesvis +5 - +60 V.

2. Skärverktyg enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att TiB2-skiktet har en föredragen tillväxtorientering i [001]-rikt- ningen med en texturkoefficient >5 definierad enligt nedan: I(hkl) i I(hkl) -1 Tflhkl) = roumi) {n Zroumifl där (hkl)-reflexen Io(hkl) = standardintensitet från ASTM standard powder pat- JCPDS 35-0741 n = antal reflexer använda i beräkningen, (hkl) reflexioner som används är: (001), (102 + lll), (201), (112) och (103 + 210).

3. Skärverktyg enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att I(hkl) = uppmätt intensitet av tern diffraction data, i detta fall 8 (100), (101), (110) sagda TiB2-skikt uppvisar ett inre restspänningstillstånd, omm nära noll, d v s mellan +O,5 GPa och -1,0 GPa.

4. Skärverktyg enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att sagda TiB2-skikt är det yttersta skiktet och har en ytfinhet Ra lägre än 50 nm.