1. Bevonat készítési technológiák

Széchenyi István Egyetem Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék

Vass Zoltán

1. Bevonat készítési technológiák

A szerszámbevonatoló eljárás közül, a szervetlen és a szerves rétegek párologtatására, felhordására 2 kiemelkedő jelentőségű technológia létezik. •

A fizikai gázfázis párologtatás PVD („Physical Vapor Deposition”) és

•

A kémiai gázfázis párologatás CVD („Chemical Vapor Deposition”).

1.1 PVD- és a CVD –rétegezés folyamat hőmérsékletei, és jellemzői. 1.1.1 PVD: A precíziós szerszámokhoz használt PVD rétegek kb. 450°C-on, relatív alacsony hőmérsékleten válnak ki. Mivel ez a megeresztési hőmérséklet alatt van (550°C körül), ezért utólagos hőkezelés nélkül a gyorsacél (HSS) szerszámok így rétegezhetők. A keményfémből készült szerszámoknál az alacsony hőmérsékletnek az az előnye, hogy a vágóél anyag rideggé válását elkerülik. A rétegzendő szerszámokat egy ráfordítás igényes, többlépcsős tisztítási folyamatnak vetik alá, hogy elegendő rétegvastagságot garantáljanak. Továbbá figyelembe kell venni, hogy a rétegezésnél a nem

kívánatos

beárnyékolásokat

elkerüljék,

amelyek

a

rétegfelépítést

megakadályoznák. 1.1.2

CVD: A CVD rétegeket jelentősen magasabb hőmérsékleten kb. 800-1000°C-ig

választják ki – attól függően, hogy közepes vagy magas hőmérsékletű folyamatról van szó (MT-CVD, HT-CVD). Ezért ezeket a rétegeket lényegében keményfémre hordják fel, ezáltal a szerszám egy bizonyos rideggé válást vonja magaután. Előnye: •

megfelelő rétegvastagság érhető el

•

az alacsony tisztítási ráfordítás a rétegezés előtt

•

beárnyékolás elkerülése, egyszerű berendezés.

Forrás: Handbuch der Gewindetechnik und Fraestechnik, EMUGE FRANKEN


Vass Zoltán

Mindenekelőtt a keményfémből készült szerszámokat, különösen a forgácsoló megmunkáláshoz, nagy számban CVD-berendezésekben rétegezik. Hasonlóképp az acélból készült képlékeny alakító szerszámokat is középhőmérsékletű CVD-réteggel látják el – általában egy hőkezeléssel összekapcsolva. Természetesen ez azt feltételezi, hogy az ezzel együtt járó hőtorzulás kompenzálható. Ellenkező esetben a PVD rétegre kell áttérni. Az olyan folyamatok, mint a plazma-CVD (P-CVD) jelentősen alacsonyabb hőmérsékleten dolgoznak (kb. 500°C), hogy a szerszám rideggé válását elkerüljék. A plazma-CVD csak néhány évvel ezelőtt lépett a piacra és még nem terjedt el nagymértékben.

1.2 Bevonatolási tecnnológiák 1.2.1 PVD-bevonatoló eljárások A PVD-eljárásnál a forrástól a rétegzőanyag egy fizikai folyamattal a szilárd test fázisból a gázfázisba megy át. A precíziós szerszámoknál az ionbevonat („Ion Plating”) 3 változata kerül bevetésre. A folyamatokat inaktív gáz alatt és többnyire reaktív gázzal (pl. nitrogén és/vagy acetilén) vezetik és negatív szubsztrátum előfeszültséggel dolgoznak. A változatok a fémpárologtatás fajtájában különböznek: •

Elektronsugár-párologtató eljárás

•

Fényív- vagy Arc-eljárás (párologtatásához fényívet gyújtanak. Az eljárás „ArcIon-Plating” (AIP)-ként is ismert)

•

Porlasztás, szilárd fázisból kiindulva, részecskebelövéssel.

1.2.2 CVD-bevonatoló eljárások A CVD-rétegező berendezéseknél a kiválasztandó anyagokat mindig gázokból nyerik. A fém alkotóelemek könnyen párologtatható fémkloridokat használnak, mint pl. a titántetrakloridot

(TiCl4)

vagy

alumíniumtrikloridot

(AlCl3).

A

reakció

alkotóelemeket hordozógázon keresztül szállítják, mint pl. argonon (Ar) vagy hidrogénen

(H2),

és

a

felhevített


szubsztrátumokra

választódnak

ki.


Vass Zoltán

2. Bevonat típusok

2.1 Titannitrid-rétegek (TiN) A TiN réteg az elmúlt 25 évben „allround-rétegként” debütált, bár az elmúlt években veszített piaci részesedéséből más oxidációállóbb rétegekkel szemben. Régóta a TiN az első választás a HSS-menetfúrók bevonatolásnál, és az összes réteg közül most is a legnagyobb piaci részesedéssel rendelkezik Németországban és világszerte. Mivel a TiN rétegek vékonyak, és emellett zártabb helyzetben is kiválnak, kifejezetten jól illenek a nagyon éles vágóéllel rendelkező szerszámokhoz, mint pl. a dörzsárhoz. További előnye a biokompatibilitásban rejlik, úgyhogy számos alkalmazása van az élelmiszeripar területén (pl. kések rétegezése), és az implantátumoknál (pl. csípőizület).

2.2 Titán-Carbonitrid-rétegek (TiCN) Az igen kemény és sűrű Titán-Carbonitrid-réteg (TiCN) hamarosan kiszorítja a TiNréteget a HSS-szármaróknál, különösen a magasabb mechanikus terhelés esetében. Az ilyenfajta marószerszámokkal a szárazmegmunkálás első igénye lefedhető. A bevonatolás célzott irányításával a rétegfelépítés alatt a nitrid és karbid részek variálódnak. Ezeknek az úgynevezett gradiensrétegeknek. Ezzel a módszerrel a külső réteg különösen simává és „csúszóssá” alakítható (alacsonyabb súrlódási együttható). Pusztán egyszerű TiCN-egyrétegű rétegeket egyre ritkábban kínálnak, ehelyett gradiens vagy többrétegű rétegekkel helyettesítik, amelyeknek a C – N viszony variálódik. Ezáltal a legkülönfélébb javításokat találják meg, többek között a réteg sűrűsége megnövekszik és a rések elterjedése a rétegen belül megnehezedik.



Vass Zoltán

2.3 Titán-Alumíniumnitrid-rétegek (TiAlN) A Titan-Alumíniumnitrid és Titán-AlumíniumCarbonitrid rétegenek a magasabb termikus, és kémiai ellenállóképessége lehetővé teszi a magasabb megmunkálási hőmérsékletet az ezzel bevonatolt szerszámoknál. A felépítésen keresztül (egy- vagy többrétegű, kristályos vagy nanokristályos) az alumínium részhez (Al) más kémiai elemek beépítését, pl. szén (C), Yttrium (Y) vagy Niob (Nb) alkalmaznak. Ezért a TiAlN rétegek különösen beválnak a keményfém szerszámokkal való kemény-, és szárazmegmunkáláshoz. A többrétegű rétegek alacsonyabb keménységet és magasabb sűrűséget mutatnak. A többrétegű bevonatok sokrétű réteggé való továbbfejlődése rajzolódik ki. Ezek a nanorétegek mint egyes rétegek, már csak transzelektronikus mikroszkóp (TEM) alatt ismerhetők fel.

2.4 Csúszó,- Kenőrétegek (MoS2, C-amorph /nem kristályos/, DLC, WC/C) A csúszórétegek tribologiai rétegek, amelyek a szárazmegmunkálásnál is egy bizonyos önolajozást biztosít. A felületi súrlódás, és a gerjesztett súrlódási hő csökkentésével az alkatrészbe ill. a szerszámba bevitt hő csökken. Van puha és kemény réteg. A puha, az ismert molibdén-szulfid (MoS2), jelentőséget a forgácsnélküli, alakító szerszámoknál ért el. A

forgácsolásnál

jelentős

kemény

csúszórétegek közül többek között a szénrétegeket hidrogéntartalmú

(a-C)

és

a

fém-szén-rétegeket

(Me-C:H, pl. WC/C) alkalmazzák.



Vass Zoltán

2.5 Chromnitrid- és Titándiborid-rétegek (CrN és TiB2) A chromnitrid (CrN) és a titándiborid (TiB2) rétegeket a rézötvözeteknél és a az alumíniumötvözeteknél alkalmazzák. Mindkét rétegnél a DLC és a gyémánt értelmes alternatíva lenne. A CrN relatív korrózióálló, kemény és jól tapadó rétegeket képez, amelyek alacsony hőmérsékletnél kb. 200°C válnak ki.

2.6 Gyémántrétegek A grafit növekvő jelentősége a Senkerodierenhez használt elektróda alapanyagként (vörösréz,-wolfram helyett) lehetővé tette az újszerű rétegek kialakítását. Az elsősorban marással megmunkálandó grafit rendkívülien abrasiv, amely a gyémántrétegek bevetését – kopásvédelemként a lehető legnagyobb keménységgel – nyilvánvalóvá teszi. Noha

CVD-folyamatban válik ki, a kielégítő réteg szavatosság biztosítása fő

problémának bizonyul. A magas folyamathőmérséklet miatt csak a keményfém szubsztrátum jön számításba. A tapasztalati értékek alapján a következő korlátozásokat állapították meg a keményfémre: •

A WC-keményfémek (ISO – felhasználási csoport K) kobalthányada 6 % vagy annál kevesebb legyen.

•

A Co-kötésfázis ne tartalmazzon krómot, vanádiumot, nikkelt és vasat (Cr, V, Ni, Fe).

•

Csak

közepes

szemcsenagyságú

(min.

1-től

2

µm-ig)

keményfémeket

rétegezzenek.

Megkülönböztetünk érdes, kristályos szerkezetű (1-től 5 µm nagyságú krisztallitok) és sima,

nanokristályos

szerkezetű

(20

nm-től

0,1

µm

nagyságú

krisztallitok)

gyémántrétegeket. A grafit megmunkálásához az érdes az alumíniumoknál a magas szilícium (Si) tartalmú sima gyémántrétegek váltak be.



Vass Zoltán

Az alumíniumöntvény ötvözetek (kb. 17 % Si-hányaddal) nagyoló marása lehetséges, ameddig a gyémánt-rétegvastagság a kb. 20 µm-t el nem éri. A polikristályos gyémánthoz (PKD) képest, ahol egyedülálló, sima vágólemezkéket forrasztanak keményen egy hordozószerszámra, a gyémántréteg azt az előnyt kínálja, hogy a komplex szerszámgeometriák is bevonatolhatók vele. Továbbá a CVDgyémántrétegek kötőanyagmentesek, és ezáltal – mint a felforrasztandó CVD-vastag gyémántlemezkék – keményebbek, mint a PKD. Minden gyémántanyagra érvényes a szén magas affinitása a vassal. A gyémánt átalakulása („égetés”) már kb. 600 °C-nál megkezdődik. Természetesen a gyémántot alkalmazhatják Fe-anyagoknál is – a kielégítő hűtés és az alacsony vágósebesség kikötése mellet.



Vass Zoltán

H+K Surface Technology GmbH PVD bevonat típusai, és jellemzői

nACo® Szín: viola-kék Nanokeménység: 45 GPa Rétegvastagság: 1-4 µm Súrlódási együttható: 0.45 Max. alkalmazási hőmérséklet: 1100ºC Nanokompozit-réteg nACo® = (nc-AlxTi1-xN)/(Si3N4)

TiAlN-ML Szín: viola-fekete Nanokeménység: 28 GPa Rétegvastagság: 1-4 µm Súrlódási együttható: 0,6 Max. alkalmazási hőmérséklet: 700ºC

TiAlN-MB Szín: viola-fekete Nanokeménység: 35 GPa Rétegvastagság: 1-4 µm Súrlódási együttható: 0,5 Max. alkalmazási hőmérséklet: 800ºC

Forrás: H+K Surface Technology GmbH, 02/2005 Prospektus


Vass Zoltán

TiN Szín: arany Nanokeménység: 24 GPa Rétegvastagság: 1-7 µm Súrlódási együttható: 0,55 Max. alkalmazási hőmérséklet: 600ºC

TiCN-G Szín: vörös-réz Nanokeménység: 32 GPa Rétegvastagság: 1-4 µm Súrlódási együttható: 0,2 Max. alkalmazási hőmérséklet: 400ºC

CrN+CBC Szín: szürke Nanokeménység: 20 GPa Rétegvastagság: 1,5-6 µm Súrlódási együttható: 0,15 Max. alkalmazási hőmérséklet: 400ºC Grádiens duplaréteg

CrN Szín: fém-ezüst Nanokeménység: 18 GPa Rétegvastagság: 1-7 µm Súrlódási együttható: 0,3 Max. alkalmazási hőmérséklet: 700ºC



Vass Zoltán

TiAlCN Szín: burgundi(vörös) Nanokeménység: 28 GPa Rétegvastagság: 4 µm Súrlódási együttható: 0,25 Max. alkalmazási hőmérséklet: 500ºC

AlTiN-G Szín: fekete Nanokeménység: 38 GPa Rétegvastagság: 1-4 µm Súrlódási együttható: 0,7 Max. alkalmazási hőmérséklet: 800ºC

AlTiN-ML Szín: fekete Nanokeménység: 38 GPa Rétegvastagság: 4 µm Súrlódási együttható: 0,7 Max. alkalmazási hőmérséklet: 800ºC



Vass Zoltán

Forgácsoló megmunkálás

Acélok

Szuperötvözött

Vörösréz

Bronz/ Sárgaréz

Műanyag

Fúrás

ALTiN TiALN

ALTiN TiALN

nACo® TiCN

TiCN-MP TiAlCN

nACo® AlTiN

CrN

TiCN-MP TiALCN

TiCN-MP TiALCN

Esztergálás

ALTiN TiALN

ALTiN TiALN

nACo® TiCN

TiCN-MP TiAlCN

nACo® AlTiN

CrN

TiCN-MP TiALCN

TiCN-MP TiALCN

ALTiN TiALCN

ALTiN TiALN

nACo® TiCN

TiCN-MP TiAlCN

nACo® AlTiN

CrN

TiCN-MP TiALCN

TiCN-MP TiALCN

TiALCH TiCN-MP

ALTiN TiALN

ALTIN TiALN

CrN+CBN TiCN-MP

nACo® AlTiN

CrN

TiCN-MP TiALCN

TiCN-MP TiALCN

TiALCN TiN

TiCN-Mp TiN

TiALCN TiN

TiALCN TiN

TiALCN TiN

CrN

TiCN-MP TiALCN

TiCN-MP TiALCN

TiALN TiCN-MP

TiALN TiCN-MP

TiALN TiCN-MP

TiCN-MP TiAlCN

ALTiN TiALCN

CrN

TiCN-MP TiALCN

-

TiN CrN

-

TiN CrN

TiN CrN

TiN CrN

CrN

CrN TiN

TiN CrN

Kivágás és sajtolás

ALTiN TiALCN

-

nACo® TiCN-MP

CrN+CBN TiCN-MP

nACo® AlTiN

CrN

TiCN-MP nACo®

-

Képlékeny alakítás

TiCN-MP TiALCN

-

nACo®

CrN+CBN TiCN-MP

nACo® AlTiN

CrN

TiCN-MP

-

Marás Menet megmunkálás Fűrészelés Dörzsárazás és üregelés

Forgácsolás nélküli megmunkálás

Szürke- Aluminium Aluminium öntvények (>12% Si) (<12% Si)

Fröccsöntés


1. Bevonat készítési technológiák

Recommend Documents