PVD VRSTVY NA BÁZI Cr-Al-Si-N, KLUZNÉ VRSTVY Ti-Al-Si-O-C A TLUSTÉ VRSTVY Ti-Cr-Ni-N
P.Holubář, M.Jílek, M.Šíma, M.Růžička, O.Zindulka
Obsah CrAl(Si)N • tvrdost • složení a struktura • tepelná stabilita • aplikace
Al(Si)Ti (N)CO • tvrdost • složení a struktura • tepelná stabilita • frikční vlastnosti • aplikace
CrAl(Si)N – proč ? max.% c-AlN
• vyšší obsah Al v kubické fázi
80 70
• nižší vnitřní pnutí
60
• změna afinity obrobek-povlak
50 40 30 20 10 0
CrN
VN
TiN
WN
NbN
ZrN
povlak
CrN
VN
TiN
WN
NbN
ZrN
HfN
max.% c-AlN
77,2
72,4
65,3
53,9
52,9
33,4
21,2
Ref.: ISIJ International 38, 925-934 (1998)
HfN
CrAl(Si)N – povlakovací zařízení
CrAl(Si)N – tvrdost
Cr6 AlSiN
Cr52 AlSiN AlSiCrN AlCrN
Cr52 AlSiN – XPS 800
576,856
400
75,392
398,146
600
586,622
300
120,803 43,654
696,973400
244,337
200 154,494
532,911
100
-136,033
200
0
650
600
550
500
450
400
350
Eb
300
150
100
50
0
-50
-100
-150
Eb
prvek
XPS at.%
Si 2p
7,4
Al 2s
40,6
Cr 2p 3/2
52,0 source: XPS - M.Veprek-Heijman, TU Munich XRD – D.Rafaja, TU Freiberg
Cr52 AlSiN – XPS, vazby Si
Si3N4 (101.8 eV)
nc-AlCrN / a-Si3N4
CrN
source: M.Veprek-Heijman, TU Munich
Cr6 AlSiN – XPS, XRD 534,181
1200
121,096
287,111
75,686
600
398,927 154,299
800
6*5min
Si 2p 300
746,583
579,591 419,923
400
0 200
600
0
400
Eb
Eb
prvek
XPS at.%
XRD at.%
Si 2p
15,4
13,0
Al 2s
78,7
81,8
Cr 2p 3/2
5,9
5,2
source: XPS - M.Veprek-Heijman, TU Munich XRD – D.Rafaja, TU Freiberg
Cr6 AlSiN – XPS, vazby Si
nc-AlCrN / a-Si3N4 Si3N4 Raw Intensity Background SHM ALCRSiN313
13000 12000
Counts (a.U)
11000 10000 9000 8000 7000 6000 106 Mg Ka, 3h sputtered callibration with internal C (285.0) and external Au 4f (83.8) gives Si (2p) 101.8+/-0.15
104
102
100
98
96
Binding Energy (e.V)
source: M.Veprek-Heijman, TU Munich
CrAl(Si)N – tepelná stabilita Tvrdost0.05 [GPa]
45
Cr52
40
Cr6 35 údolí 30 AlTiN 25
0
300
600
900 T [°C] 1200
Cr52AlSiN – aplikace
4000
tool life: No. of produced gears 1 - new + coated
3
2 - reground
3000
3 - reground + recoated
2000
1000
1
3 3
1 2 3
2
TiN
TiAlN
AlTiN
SiN CrAl
Testing conditions:: • W.n. 1.0501 HB 185-200 • FETTE HSS PM4 S-390, 65-66 HRC • 1.5-2 mm • 120 m/min • VB = 0.15 mm • emulsion ARAL 230 , 8 l/min
Cr52AlSiN – aplikace 25
Milling distance LT [m]
20
nACo G
2,8 um
nARCo G
3,2 um
nARCo ML
2,8 um
15 10 5
30
TiAlCN AlTiN 40
50 60 70 80 90 cutting speed vc [m/min]
2,4 um 2-3 um
100
Testing conditions:: • MSN 500 vertical milling machine • CMo4 heat treated steel, HB 310±10 • FRAISA ∅10, z=4, HSSCo8 • up hill (Gegenlauf) • VBCmax=0,6 mm • emulsion ARAL 230 , 8 l/min
Cr6AlSiN – aplikace
1000
HM drill lifetime [number of holes] steel soft annealed
800 600
7% n o i ls emu
400 200
lSiN A N 2 N 5 i C r i T T C
lSiN A 6 r C
Testing conditions:: • X155CrVMo12-1(DIN 1.2379), steel soft annealed • ∅5, ap 15 mm, vc 70 m/min, f 0.16 mm/U • VB1/2=125 µm or 225 µm corner • emulsion 7%
Srovnání vrstev na bázi Cr při obrábění oceli 42CrMo4
VB max [µm]
200
150
100 OSG Referenční HTE CS povlak
50
OSG povlak nACRo HTE povlak nACRo
0 0
500
1000
1500
2000
2500
životnost nástroje Lf [m]
Hrubování oceli 42CrMo4, zakalené na 42 HRC Dvoubřitá kulová fréza pr.6 mm, 9500 ot/min, fz=0,12 mm, ap=0,3 mm, ae= 0,6 mm
CrAl(Si)N – souhrn
• vysoká tvrdost ve dvou maximech • struktura nc-AlCrN/a-Si3N4 s velikostí krystalitů cca 5 nm • vysoká tepelná stabilita • Alwin, odvalovací frézování
Al(Si)Ti (N)CO – povlakovací zařízení • CRC Dual Arc unit • 2x 240 A, -100 ÷ –1200V • 600°C, 0,5-5 Pa • 150 tools/batch
AlSi
Ti
centrální anoda
Al(Si)Ti (N)CO – co to je a proč ? • komplexní systém
Ti
• kluzná vrstva 40
35sccm 20sccm 15sccm
35
HVpl
30
25
20
Lubrik 15
10 0
Ti
1
2
3
pozice
4
5
AlSi
AlSi
Lubrik – složení a struktura ERD
XRD TiAlCO 0236_6
Lubrik
Lubrik
35
content [at.%]
30 25 20 15
TiN(220)
ti o al c h n ar
Intensity [cps]
40
TiN(200)
0236_6
10 5 0 0.00E+000
substrate 5.00E+017
1.00E+018
1.50E+018
2.00E+018
2
depth [atoms/cm ]
at%
Al 34
Ti 3
20
40
60
80
100
2 theta
O 41
C 22
a-Al2O3 + fcc-TiC + a-C-O
Lubrik – tepelná stabilita
AlTiCO #0293_2 5
30
TiN phase 25
crystallite size [nm]
4
hardness [GPa]
20
15
unknown Tdep as deposited 10
3
2
1 5
0
0 0
100
200
300
400
500
600
700 o
annealing temperature [ C]
800
900
1000
0
100
200
300
400
500
600
700 o
annealing temperature [ C]
800
900
1000
Lubrik SI, Lubrik G – frikce 1,2 AlTiN6 G-lubrik
Average coefficient of friciton
1
0,8
TiAlSiN
0,6
AlTiSiN 0,4
Lubrik
0,2
0 0
2000
4000
6000 Number of cycles
8000
10000
12000
Lubrik SI, Lubrik G - aplikace
260 203-1
SI+tm 0,9um
Torque (Ncm)
240
• závitník M6, DIN 371, RSP 15°, HSS PM
203-3
220 200 180 160
F15
F13
Thread
F11
F9
F7
F1
F5
140
• závitování 6 m/min, materiál ČSN 15 142, 140kg
F3
Narex Ždánice s.r.o.
203-2
260 204-1
SI+tm 1,3um 240
220 SI 0,8um 210
SI 1,4um SI+CO2 uncoated
204-2 204-3
220 200 180 160
F15
F13
Thread
180
F11
F9
F7
F5
F1
F3
140
190
260 205-1
SI+tm +CO2 1,0um 240
170 Torque (Ncm)
160 150
205-2 205-3
220
uncoated
200 180 160
F7
F8 Threads
F9
F10 F11 F12 F13 F14 F15
140 Thread
F15
F6
F13
F5
F11
F4
F9
F3
F7
F2
F5
F1
F3
140
F1
AverageTorque (Ncm)
200
Torque (Ncm)
Orm-lubrik Taps
Lubrik SI, Lubrik G - aplikace ThyssenKrupp Aluminium Technik s.r.o. • vrtání 7000 ot/min, 1070 mm/min • materiál Aluminium 226 (Cu-3%, Si–10%, Mg–0,3%, Al–zbytek)
konvenční povlaky nevyhovující (50 % nepovlakovaného nástroje) prodloužení životnosti o 100% oproti nepovlakovanému nástroji
Lubrik SI, Lubrik G - aplikace KAMAX – šroubárna Turnov s.r.o. • lisování materiálu tř. 13 a 14
zvýšení životnosti o 100% oproti ostatním PVD vrstvám
Al(Si)Ti (N)CO – komplexní systém
TiN- adhezní vrstva
TiAlN – vrstva s max.tvrdostí TiAlCO I – tvrdá vrstva TiAlCO II – vrstva s optimální stechiometrií AlTiCO III – kluzná vrstva - LUBRIK
Al(Si)Ti (N)CO a Lubrik – souhrn
• komplexní systém povlaku s velkou perspektivou • Lubrik – kluzná vrstva na bázi oxidů a uhlíku • rozumná tepelná stabilita • závitníky, vrtáky a frézy, tvářecí nástroje • obrábění a tváření Cu, Al slitin, apod.
Poděkování:
prof. Stan Veprek
Tibor Cselle
Maritza Veprek-Heijman
Marcus Morstein
Pavla Karvankova
Olivier Coddet
Antonin Kříž
Josef Sondor Robert Lovecký
Jiří Buršík
David Rafaja
Děkuji za pozornost !
