Nové trendy vývoje tenkých vrstev vytvořených PVD a CVD technologií v aplikaci na řezné nástroje Antonín Kříž

Nové trendy vývoje tenkých vrstev vytvořených PVD a CVD technologií v aplikaci na řezné nástroje

Antonín Kříž

TATO PŘEDNÁŠKA JE SPOLUFINANCOVÁNA EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

2/44

Co je to tenká vrstva?

Srovnání tloušťek lidského vlasu a vrstvy deponované CVD technologií (u PVD vrstev je tloušťka 1- 5µm)

3/44

Systém tenká vrstva-substrát Vrstva Rozhraní Substrát

Deponované tenké vrstvy je třeba chápat jako systém, neboť vrstva pro svoji tloušťku dosahuje společně se substrátem specifických vlastností a chování. Samotné tenké vrstvy mají na rozdíl od objemových materiálů rozdílné vlastnosti a to nejen z důvodů svojí tloušťky, ale i následkem depozičních procesů, které lze označit jako nerovnovážné a iniciující vznik metastabilních fází. 4/44

Pro zajištění požadovaných vlastností je nutné věnovat pozornost všem složkám tvořící

daný systém Otěruvzdorná vrstva Odolnost proti opotřebení Redukce tření Korozní odolnost Difúzní bariéra Tepelná bariéra

Substrát Pevnost Tuhost Geometrie

5/44

Mezivrstva Adheze Bariéra rozvoje trhlin Kompenzace diletace a pnutí Modifikace struktury a morfologie

Katalogové vlastnosti vrstev firmy LISS Platit a.s. Povlak

6/44

Mikrotvrdost

Součinitel tření

Maximální prac. teplota

Barva

Materiál

Struktura

TiN

monovrstva

2300

0,4

600

zlatožlutá

AlCrN

monovrstva

3200

0,35

1100

modrošedá

CrN

monovrstva

1750

0,5

700

stříbrošedá

DLC

monovrstva

2500

0,1 - 0,2

350

černošedá

TiAlN

nanostrukturovaný

3300

0,3

900

fialovošedá

PKD

monovstva

8000-10000

0,15 - 0,2

600

světlešedá

TiCN

vícevrstvý gradientní

3000

0,4

400

modrošedá

multi TiAlSiN

multivrstva

40(GPa)

0,55

900

modrošedá

AlTiN

monovrstva

3800

0,7

800

černo šedá

TiCN

multivrstva

3300

0,4

400

bronzově hnědá

Rozšíření použitelnosti řezného nástroje Vrstvy firmy LISS Platit a.s.

Zdroj: Ceme Con, Kunden Magazin fur Beschichtungstechnologie, Science, Nr. 10, Januar 2004

Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde

Důležité vlastnosti řezného nástroje • tvrdost • nízký koeficient tření • tepelná bariéra 7/44

Základní depoziční technologie CVD: TiN, TiCN, Al2O3 , ….. DLC PVD: TiN, TiCN, TiAlN,AlTiN, TiAlSiN, TiB2, CrN, CrAlSiN, WC/C, MoS2, PLC,.... 100

Vrstvy aplikované na nástrojích z RO Ostatní vrstvy

90 80

Podíl [%]

70 60

TiCN

TiAlN

50 40 30

TiN

20 10 0 1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

Rok

8/44

Zdroj: Cselle Tibor, přednáška Quo Vadis Coating, Vrstvy a Povlaky 2004

Množství druhů tenkých vrstev v aplikaci na řezné nástroje

T. Cselle, M. Morstein. A. Luemkemann, PLATIT AG, Selzach, Schweiz

9/44

Základní depoziční procesy 1050°C 950°C

Chemical Vapor Deposition CVD

750°C 10µm

CVD

10µm

PVD

Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition PACVD 500°C

Physical Vapor Deposition PVD 300°C

10/44

Depoziční procesy Vlastnosti vrstvy Adheze

1050°C 950°C

Teplotní stabilita

CVD

750°C

PACVD

500°C

PVD 300°C

11/44

Pnutí

Odborná literatura věnuje oběma technologiím stejnou pozornost 5000

Publikace

4000 3000

CVD PVD

2000 1000 0 1950-1980

1980-1990

1990-2001

2000-2010

Časový průběh výzkumných prací zabývající se CVD/PVD technologií Klíčová slova: CVD / PVD, coatings, wear, tool, tribology Období 2000-2010 je předpokládaný stav Zdroj: COMPENDEX, METADEX, CHEM. ABSTRACTS

12/44

CVD Chemical Vapor Deposition

Lom vrstvy od firmy Ceratizit


13/44

Depoziční zařízení ve firmě Ceratizit

PVD depozice Magnetronové naprašování SubstratStromversorgung

N2

Werkstücke

C2H2 etc.

Plasma

Ar

Schichtdicken Messgerät

(Schwingquarz)

DC Stromversorgung

Gasflussmessung und Regelung

10µm Magnetron Kathode Magnet

A1/57/4

Turbomolekular Pumpstation

Obloukové odpařování katody

Makročástice

5 µm

14/44

Vývoj progresivních depozičních zařízení Původní zařízení firmy SHM pracovalo pouze s centrální dutou katodou

Schéma depozičního zařízení s dutými katodami 15/44

Vývoj progresivních depozičních PVD procesů u firmy PIVOT– obloukové odpařování katody PLATIT - π80

LARC®: LAteral Rotating ARC-Cathodes CERC®: CEntral Rotating ARC-Cathodes

16/44

Typy vrstev:

akte ha r ho c by ové z iont ní va nota valent ko

Druhy vazeb

Ho d

Monovrstva Monovrstva s „adhezní“ vrstvičkou Gradientní vrstva Sendvičově řešená vrstva Nanostrukturovaná vrstva Nanokompozitní vrstva

KOVALENTNÍ VAZBA

C

AlN

ru

SiC

Ho

Si3N4 Tenké vrstvy velmi často neodpovídají nejen vlastnostmi, ale i svými vazbami objemovým TiC TiB2 Al2O3 materiálům. Následkem nerovnovážných TiN ZrO2 WC depozičních procesů vznikají tyto HETEROmetastabilní fáze. POLÁRNÍ KOVOVÁ Příkladem je TiN, která má dle řady (IONTOVÁ) VAZBA VAZBA autorů, i jistý stupeň kovové vazby, přičemž objemový materiál se vyznačuje Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde vysokým stupněm iontové vazby.

dno har oc tníh zby l en ova é va ta k iontov er akt

u

17/44

Aplikovatelnost jednotlivých druhů tenkých vrstev

Výkon

Speciální vrstva 1

Speciální vrstva 2 Univerzální vrstva

Oblast použití 18/44


„Klasická“ struktura vrstvy Rok: 1968 Jedna vrstva

Monovrstva Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde

19/44

„Klasická“ struktura vrstvy 70. léta

Monovrstva s „adhezní“ vrstvičkou Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde

20/44

Moderní struktura vrstvy

80. léta

21/44


Gradientní vrstva

Moderní struktura vrstvy

Monovrstva

22/44

Monovrstva s adhezní vrstvičkou 80. léta


Gradientní vrstva

Moderní struktura vrstvy Sendvičově řešená vrstva

Skladba vrstvy

Část výbrusu kaloty

23/44

Zdroj: Dokumentující obrázky, popisující schématicky skladbu vrstvy byly získány z katalogu firmy SHM.

Moderní struktura vrstvy - Nanostrukturované vrstvy Nanovrstevná struktura

Substrát 100 nm

Zdroj: Pavel Holubář, Nová průmyslová technologie povlakování Přednáška Vrstvy a Povlaky 2003

24/44

Schématický postup šíření trhliny multivrstevným systémem

Supermřížka – nanovrstvy Příklad nárůstu tvrdosti pomocí řízené periody vrstev 50

nanotvrdost; [GPa]

 

40 TiN-CrN AlN



30

 



TiN-CrN

 



20

7 nm

10

0

25/44

1

Zdroj: Nortwestern University, IL, USA

10

100

perioda nanovrstev [nm]

1000

Nanokompozitní struktura; nc- (Ti1-x Alx)/aSi3N4 Model

TEM obrázek monovrstvy nc-kompozitu

Source: S. Veprek, TU München Zdroj: S. Veprek, TU Mnichov

Nanorozměrové krystaly AlTiN jsou „vsazeny“ do matrice Si3N4

26/44

Zdroj: S. Veprek, TU Mnichov Měřeno v EPF, Lausanne

Tvrdost [GPa]

Tvrdost


Nedeponované TiN SK

TiAlN AlTiN

TiAlSiN

Zvýšení mikrotvrdosti aplikací progresivních tenkých vrstev TiAlSiN 27/44

nACo … nanokompozit založený na bázi Ti …. nc-AlTiN / a-Si3N4 Největší novinka roku 2005 v oblasti průmyslové aplikace tenkých vrstev na řezných

The Camel-Curve ® : Nanocomposite Structure Eliminates nástrojích je Disadvantages of Conventional Coating nACRo ® : Nanocomposite: (nc-AlCrN)/(a- Si

3N4)

nACRo .. nanokompozit založený na bázi Cr … nc-AlCrN / a-Si3N4

AlCrN

28/44


TripelCoatings ® : nACo3®

TiN: – Adhezní vrstva - Měkký přechod, - Podobný E-Modul - Mezivrstva AlTiN: - multivrstva – Dobrá odplnost proti opotřebení – Malé vnitřní napětí – Dobrá tvrdost nACo: - Vrchní vrstva - Velmi dobrá tepelná bariéra - Vysoká tvrdost - Vysoká odolnost proti T. Cselle, M. Morstein. A. Luemkemann, abrasivnímu opotřebení PLATIT AG, Selzach, Schweiz

29/44

Porovnání vlivu vrstev TripelCoatings ® : nACo3®; PVD – TiAlN; CVD Aluminiumoxid


30/44

TripleCoatings ® : nACRo3®

31/44


AlXN3® -firemní (LISS Platit): TripleCoatings ® : AlTiCrN3®

32/44


SiX3® - firemní (LISS Platit): TripleCoatings ® : nACoX3®

33/44


SiX3® - firemní (LISS Platit): TripleCoatings ® : nACoX3®

Obsah dusíku : kyslíku N/O: 50/50% – 80/20% Tloušťka vrstvy pro VBD: 7 - 18 μm Obvyklá tvrdost: 30 GPa Běžný E-Modul: ~ 400 GPa T. Cselle, M. Morstein. A. Luemkemann, PLATIT AG, Selzach, Schweiz

34/44

Vliv množství hliníku na vznik hexagonální strukturní mřížky B ase m a x . A lN c

C rN 7 7 ,2

VN 7 2 ,4

T iN 6 5 ,3

W N 5 3 ,9

N bN 5 2 ,9

Množství (atomární) Al kdy převažuje hexagonální mřížka

Z rN 3 3 ,4

H fN 2 1 ,2

Ref.: ISIJ International 38, 925-934 (1998)

Hardness0.07 [GPa] T 25[°C]

40 30

AlCrSiN AlTiSiN

20 10 0 Zdroj: Ceme Con, Kunden Magazin fur Beschichtungstechnologie, Tools, Nr. 17, September 2004

20

40

60

80 100 Al [at%]


35/44

Teplotní přetížení nástroje – častá příčina jeho poškození Vrstvy jako např. Al2O3 popř. AlTiN vytváří účinné tepelné bariéry

Lavinovitý otěr nástroje následkem tepelného i mechanického přetížení

36/44

Rozdělení odváděného tepla v závislosti na řezné rychlosti při obrábění oceli

Odolnost proti oxidaci u vrstev s obsahem Al 900°C vzduch, 60 min

TiN

AlTiN– 60%Al

37/44

TiAlN

TiAlSiN

CVD depozice vrstvy TiN+ Al2O3+TiN Substrát – ultrajemný SK TiN – DS* α-Al2O3 Ti(C,N,O) MT-Ti(C0,47,N0,53) TiN

Sandvik GC 3205

38/44

Při svém pracovním pobytu ve firmě Ceratizit (Rakousko) jsem měl za úkol sledovat trvanlivost VBD nejen jejich produkce, ale i konkurenčních společností, mezi nimiž právě Sandvik vykazoval velmi dobré výsledky. Vedle trvanlivosti jsem sledoval z metalografických výbrusů, tak i z fraktografického pozorování, skladbu vrstev. Celkem jsem takto zanalyzoval 9 konkurenčních a 9 vlastních systémů.


Další trendy depozic Depozice řezné keramiky CVD depozice vrstvy Ti(C,N)+ Al2O3+TiN Substrát – neoxidická keramika Si3N4

Lom systému a hloubkový koncentrační profil analýzy GD-OES – na povrchu je nepatrná vrstva TiN, následuje „šedivá“ Al2O3 a TiCN

39/44

Frikční vrstvy

sp Ternární fázový diagram vazeb u a –C:H. Srovnání koef. tření – „PIN“ (kulička) Al2O3 Srovnání - "PIN - on - DISC" ball Al2O3

1,1

MoS2

AlTiN

Vrstva na bázi uhlíku

1,0

AlTiN

0,9 0,8

koef. tření

0,7 0,6 0,5 0,4

MoS2

Vrstva na bázi uhlíku

0,3 0,2

Krystalografická mřížka MoS2

40/44

0,1 0,0 0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

Dráha v km

0,25

0,30

0,35

V minulosti byla hlavní pozornost věnována ekonomice obrábění Hodnoty trvanlivosti T při limitním opotřebení VB=0,3 mm SK (v=38,52,63,80 m/min) TiN (v=54,64,72,80 m/min) TiN-TiP (v=50,60,70,80 m/min) TiAlN-AlP (v=48,57,68,77 m/min) TiAlSiN-alfa (v=52,62,73,80 m/min) TiAlSiN-beta (v=57,67,75,87 m/min)

250

Ra

Trvanlivost T (min)

200

150

100

50

0 40

50

60

70

80

Řezná rychlost v (m/min)

Ekonomická stránka je samozřejmostí, hlavní trend vývoje bude sledovat kvalitu, ekologický dopad a snadnou obnovitelnost nástrojů. 41/44

Trend vývoje – požadavek na moderní nástroje s progresivními vrstvami: - Větší trvanlivost nástroje (využití v hromadné výrobě, automaty) - Obrobený povrch s vyšší kvalitou (lepší povrch při stejné ceně – vyšší kvalita) - Obrábění s minimálním množstvím procesní kapaliny (ekologie, cena, starosti s recyklací a skladováním) - Reprodukovatelnost výsledků alespoň z 80% - Odstranění „starých“ vrstev z nástrojů SK bez nutnosti následného přeostření

42/44

Vyplatí se depozice řezných nástrojů? Ceny dle firmy Hofmeister s.r.o. Odvrtaná délka; Lf [m]

50

0

Bez vrstvy

TiN

TiAlN

43/44

TiN

Přeostřeno a deponováno

7.4

Přeostřeno

27

10.8

Přeostřeno a deponováno

28

4.5

Bez vrstvy

50

45,- Kč /1m odvrtané délky

Depozice

10

Přeostřeno+přepovlakováno

51

Přeostřeno

20

přeostřeno

Depozice

30


40

Povlakovaný nástroj


Bez PVD


60

4.5

Bez Multivrstva TiAlN vrstvy Mat: 38MnV35 - Rm=800 N/mm 2 - Emulsion 7% K40UF - d=12.6mm - ap=13,5mm - vc=78 m/min - f=0.25 mm/U Quelle: DC, Stuttgart, Gühring, Sigmaringen

Otázky • • • • •

44/44

Jaké běžné tloušťky mají tenké vrstvy Proč se užívá název tenká vrstva-substrát Jaké jsou nejčastější druhy depozic Jaké jsou druhy tenkých vrstev Trend vývoje

Nové trendy vývoje tenkých vrstev vytvořených PVD a CVD technologií v aplikaci na řezné nástroje Antonín Kříž

Recommend Documents