SE504968C2 - Metod att belägga ett skärverktyg med ett skikt av alfa-Al2O3 - Google Patents

Description

504 968 med en metallhalid under inverkan av ett dopningsmedel valt tellur, arsenik, antimon, vismut samt blandningar av dessa. Under dyli- fràn de grupper som bestàr av svavel, selen, fosfor, ka processförhällanden bildas vanligtvis tvá Al2O3-faser, a- och K-fasen. Det bildade skiktet bestár av en blandning av de mindre K-kornen och de större a-kornen. Processen ger skikt med en jämn skikttjockleksfördelning runt den belagda kroppen.

I Svensk Ansökan 9203852-O, 9304283-6 och 9400089-O be- skrivs metoder att erhälla beläggningar av finkorniga texture- rade skikt av a-Al2O3. I Svensk Ansökan 9304283-6 sker belägg- ning med Al2O3-skikt under inverkan av ett dopningsmedel av svavel-fluor. Det erhállna Al2O3-skiktet har vanligtvis skiv- formade korn med en utpräglad (110)-textur. Skiktet av Al2O3 är nästan fritt fràn svalningssprickor.

Numera är många komponenter inom industrin smidda eller pressade till nära slutmátt. Sálunda krävs mindre bearbetning för att färdigställa komponenterna. Dylik bearbetning kallad "near-net-shaping" kräver verktyg, t.ex. vändskär, med jämna, rena skäreggar, dvs. en skäregg fri fràn pasmetningar av ar- betsmaterial, fri frán flagning av skikt och med en mycket ringa utvecklad fas- och gropförslitning för att säkerställa en bra ytfinhet i komponentens slutbearbetade yta.

Trots att skiktet av a-Al203 beskrivet i ovan nämnda Svensk Ansökan 9203852-0, 93042283-6 och 9400089-0 uppvisar utomor- dentliga slitage- och flagningsegenskaper är topografin hos skiktytan inte alltid optimal för bearbetning med smá ämnes- mäner om inte dessa skikt görs mekaniskt slätare t.ex. genom borstning, I t.ex. EP-A-298729 be- skrivs en metod att erhàlla en slät skäregg genom diamantpole- polering eller blästring. ring. Efterbehandling av belagda skär ökar emellertid produk- tionskostnaden.

Med släta skikt, sammanhang skikt med kornfacetter huvudsakligen parallella med icke mekaniskt behandlade, menas i detta skiktytan och med enbart smà diken mellan kornen.

I allmänhet är dylika ytor mycket blanka och mindre benägna att fä arbetsmaterial pásmetat pà eggen. Skiktets yttopografi pâverkas av kornstorlek, kornens form och orientering vilket i 504 968 sin tur bestämms av de processförhàllanden som förelegat under kärnbildnings- och tillväxtstegen.

En slät skiktyta hos ett tjockt, > 4 um, Al2O3-skikt kan till en viss grad erhållas genom att avbryta skiktbeläggningen av Al2O3 med ett antal mycket tunna skikt, 0.1-1 um, av TiCxNy0z. Emellertid är sádana CVD-processer med multiskikt komplicerade. Det föreligger alltid en stor risk för flagning av individuella skikt. Med denna teknik är det inte möjligt att fa ett ytterskikt av a-Al2O3 att växa tjockare än omkring 2 pm om skiktets jämnhet skall kunna bibehállas.

En avsikt med föreliggande uppfinning är att skapa ett slätt och blankt Al2O3-skikt lämpligt för bearbetning med smà arbetsmäner.

En ytterligare avsikt med föreliggande uppfinning är att finna processförhallanden för att belägga skikt av a-Al2O3 med släta, blanka ytor och därvid undvika kostsamma efterbehand- lingsprocesser vid tillverkning av belagda verktyg.

Helt överraskande har en metod hittats för att fá skikt av a-Al2O3 att växa med avsedd mikrostruktur och yttopografi. Den användna metoden baseras pà principen att först noggrant kont- rollera kärnbildningssteget för att fà a-Al2O3-fasen att till- växa och sedan pà ett speciellt sätt ändra tillväxtförhàllande- na ett antal gánger, förslagsvis 3 till 10 gånger, under hela Al2O3-beläggningssteget för att erhálla den avsedda skiktmorfo- login. Det har visat sig att de tvá dopningsmedlen H28 och SF5 ger olika tillväxtförhállanden för a-Al2O3 och genom att ut- nyttja detta faktum och ändra tillväxtförhállandet efter ett visst schema är det möjligt att få skikt av a-Al2O3 att till- växa pa avsett vis.

Fig. 1 är ett SEM-fotografi i l0O0x förstoring av den släta ytan hos a-Al203-skiktet längs med egglinjen pà ett skär be- lagt i enlighet med föreliggande uppfinning och Fig. 2 ett a- A1203-skikt enligt Svensk Ansökan 9203852-0.

Enligt föreliggande uppfinning erhálls ett a-Al2O3-skikt, 2.5-12 um tjockt, lämpligen 3-8 pm, med en medelkornstorlek av 1-3 pm och ett medelvärde pà ytjämnheten pà Rmax S 0.4 pm över en längd av 10 pm som med obeväpnat öga uppvisar en blankhet liknande ett polerat, borstat eller vätblästrat Al2O3-skikt. 504 968 Skiktet enligt föreliggande uppfinning kan emellertid lätt sär- skiljas fràn ett mekaniskt behandlat skikt genom SEM-studier vid en förstoring av cirka 3000x. I det mekaniskt behandlade skiktet är kornen deformerade.

Mer specifikt innehåller det belagda verktyget ett substrat av hárdmetall, metallkarbid i en metallisk bindefas. skiktstrukturen kan vara TiC eller närbesläktad karbid, nitrid, cermet eller keramik lämpligen av àtminstone en De individuella skikten i karbonitrid, oxykarbid och oxykarbonitrid av en metall vald fràn gruppen av metaller i grupperna IVb, Vb och VIb i det pe- riodiska systemet, B, Al och Si och/eller blandningar därav. Åtminstone ett av sagda skikt är i kontakt med substratet. Det yttersta skiktet i skiktstrukturen utgörs av ett tätt, enfasigt och texturerat a-Al2O3-skikt med en slät och blank yta. Lämp- ligen är sagda Al2O3-skikt i kontakt med ett TiCxNyOZ-skikt som lämpligen är det innersta skiktet.

I synnerhet ger ett tunt, upp till 1 um tjockt, TiN-skikt ovanpà Al2O3-skiktet verktyget ett blankt guldliknande utseende som underlättar den s.k. "identifieringen av använd egg".

Förutom den släta och blanka ytan hos Al2O3-skiktet i en- lighet med den föreliggande uppfinningen kännetecknas Al2O3- skiktet även av dess preferentiella kristalltillväxt i (110)- riktningen.

Al2O3-skiktet beskrivet i Svensk Ansökan 9304283-6 är också texturerat i (110)-riktningen. Det skiktet uppvisar emellertid inte den släta och blanka ytan och kornformen som Al2O3-skiktet enligt föreliggande uppfinning.

Texturen bestäms med hjälp av röntgendiffraktion (XRD). En texturkoefficient, TC, definieras som: _ Ifhkl) l I(hkl) 'l TcÜflkl) - Iouqkl) (n ZIo(hkl)} där I(hkl) = uppmätt intensitet hos (hkl)-reflexen IO(hkl) = standardintensitet fràn ASTM's Standard powder pattern diffraction data n = antal reflexer utnyttjade i beräkningen (104), (110), De (hkl)-reflexer som använts är: (012), (113), (024) samt (116). 504 968 Enligt föreliggande uppfinning är TC för kristallplan av (110)-typ större än 1.5, lämpligen större än 2.5.

Det jämna, blanka och (110)-texturerade a-Al2O3-skiktet en- ligt föreliggande uppfinning erhálls genom noggrann kontroll av syrepotentialen hos gasatmosfären i CVD-reaktorn före kärnbild- ningen av Al2O3. Den totala koncentrationsniván av H20 eller andra oxiderande ämnen bör lämpligen vara mindre än 5 ppm.

Kärnbildningen av Al2O3 initieras emellertid genom en kont- rollerad följd av reaktionsgaserna enligt följande: C02, CO och AlCl3 i en H2-atmosfär. Temperaturen skall lämpligen vara om- kring lOOO°C under kärnbildningen.

Enligt den föreliggande uppfinningen utnyttjas under till- växtprocessen för Al2O3 tvà olika dopningsmedel, ett svavelba- serat ej innehållande fluor, lämpligen H2S (0.1-1 %), medan det andra är ett svavel-fluorbaserat dopningsmedel, lämpligen SF5 (0.1-l %).

I ett utförande erhàlles ändringen i tillväxtförhàllande genom att växla mellan de tva dopningsmedlen ett antal gánger under Al2O3-processen t.ex. varje timme eller lämpligare med kortare perioder t.ex. varje 20:e minut.

I ett alternativt utförande används blandningar av de tvá ovan nämnda typerna av dopningsmedel. Som exempel upprätthålls en koncentration av 0.1 % H25 genom hela Al2O3-processen medan SF5 tillförs under intervaller av 10 min till 1.5 tim med en koncentration av 0.3-1 %.

HCl kan valfritt tillsättas för att kontrollera tillväxt- hastigheten. Olika kornstorlekar och kornformer kan erhållas genom att använda olika koncentrationer av dopningsmedel och olika användningsintervaller.

Andra processparametrar kan användas förutsatt att de med- för tillräcklig ändring av tillväxtförhàllandena. De exakta processförhàllandena beror emellertid i viss utsträckning pà utformningen av den utrustning man använder. Det är upp till fackmannen inom omradet att besluta om den avsedda skiktmorfo- login har erhàllits och att modifiera kärnbildningen och be- läggningsförhállandena om sä önskas i enlighet med föreliggande beskrivning för att páverka ytutseendet och jämnheten hos skik- 'Cet . l5 504 968 Skär belagda enligt den föreliggande uppfinningen kan an- vändas inom all slags skärande bearbetning. De är emellertid speciellt lämpliga för bearbetning med smà arbetsmàner där rena skäreggar krävs.

Exempel 1 A) Hardmetallskär med sammansättningen 6.5 % Co, 8.5 % ku- biska karbider och resten WC belades med ett 6 um tjockt skikt av TiCN. I efterföljande processteg under samma beläggningscy- kel utfälldes ett 5 um tjockt skikt av a-Al2O3. Innan kärn- bildningen sattes syrepotentialen hos bärargasen av väte, dvs. koncentrationen av vattenånga, explicit till en lág nivá, mind- re än 5 ppm. En reaktionsgasblandning innehållande C02, CO och AlCl3 tillsattes sedan i en följd till bärargasen av väte i därvid given ordningsföljd.

Gasblandningarna och andra processförhallanden under Al2O3- utfällningen steg 1-5 omfattade: Steg C02 AlCl3 CO SF6 H25 HCl H2 Tryck Têmperatur Tid 1 4% 4% 2% l.5% rest. 60 mbar 1000°C 1 tim 2 4% 4% rest. 60 mbar 1030°C 1.5 tim 3 4% 4% 0.3% 4% rest. 60 mbar 1030°C 1.5 tim 4% 4% 0.3% 4% rest. 60 mbar 1030°C 1.5 tim 4% 4% O.3% 4% rest. 60 mbar l030°C 1.5 tim Det erhållna Al2O3-skiktet säg mycket jämnt och blankt ut.

Ett nätverk av svalningssprickor kunde observeras i SEM. Rönt- gendiffraktionsanalys påvisade en texturkoefficient, TC(llO), av 1.8 för (110)-planen i a-fasen i det enfasiga Al2O3-skik- tet.

B) Hàrdmetallsubstratet i A) belades med TiCN (6 um) och Al2O3 (5 pm) som beskrivet i A) utom att Al203-processen utför- des enligt tidigare känd teknik resulterande i en blandning av grova a- och fina K-Al2O3-korn i skiktet. 504 968 C) Hårdmetallsubstratet i A) belades med TiCN (6 pm) och Al2O3 (5 um) som beskrivet i A) utom att Al2O3-processen utför- des enligt Svensk Ansökan 9304283-6 resulterande i ett skikt av a-Al2O3 med utsträckta Al2O3-korn och med en texturkoefficient av 3.2.

Skären från A), B) och C) provades med avseende på egg- linjeflagning vid plansvarvning i ett legerat stål (AISI 1518, W-no. 1,0580). Formen hos arbetsstycket var sådant att skär- eggen gick ur och i ingrepp tre gånger per varv.

Skärdata: Hastighet = 130-220 m/min.

Skärdjup = 2 mm Matning = 0.2 mm/varv Skären kördes ett snitt över arbetsstyckets yta.

Nedanstående resultat uttrycks som den procentuella andelen 'av egglinjen i ingrepp som erhållit flagning.

Flagning (%) Renhet av egglinjen i eggen A) Enfasig/texturerad a-Al2O3 10 nästan enligt uppfinningen ingen smetning B) a/K Al2O3 . 72 smet- ningar C)(110)-texturerad enligt patent- 43 en hel del ansökan 93042283-6 smetningar Exempel 2 D) Hårdmetallskär med sammansättningen 6.5 % Co, 8.5 % ku- biska karbider och resten WC belades med ett 7 um tjockt TiC- skikt. I efterföljande processteg under samma beläggningscykel utfälldes ett 6 pm tjockt skikt av 0-Al2O3. Innan kärnbild- ningen sattes syrepotentialen för bärargasen av väte, dvs. koncentrationen vattenånga, explicit till en låg nivå, mindre än 5 ppm.

En reaktionsgasblandning innehållande C02, CO and AlCl3 tillsattes i följd till bärargasen av väte i given ordning. 504 968 Gasblandningarna och de övriga processförhállandena under beläggningsstegen för A12O3 omfattade: turkoefficient av 2.1.

HCl H2, Tryck Temperatur Tid l 2 4% 4% 4% 4% 2% - - 0.4% l.5% 4% rest. rest. 60 mbar 60 mbar 1000°C l030°C 1 tim 20 min Steg 2 och 3 upprepades 8 gánger. 3 4% 4% 0.4% 4% rest. 60 mbar l030°C min Det erhállna Al2O3-skiktet ság mycket jämnt och blankt ut.

XRD-analys pávisade en texturkoefficient, TC(1lO), pá 2.9 för (110)-planen i det enfasiga a-Al2O3-skiktet.

E) Hárdmetallsubstratet i D) belades med TiC (7 pm) och Al2O3 (6 pm) liknande D) förutom att Al2O3-processen utfördes enligt Svensk Ansökan 9203852-0 vilket gav till resultat ett finkornigt a-Al2O3-skikt med en (012)-textur och med en tex- Skären fràn D) och E) provades med avseende pà egglinje- flagning sàsom beskrivits ovan i exempel 1 med följande resul- tat: Flagning (%) i egglinjen D) enfasigt/texturerat 5 (enligt uppfinningen) E) (012)-texturerat enligt 54 ansökan 9203852-O Renhet i eggen Ren egg Smetningar 504 968 Exempel 3 F) Hàrdmetallskär med sammansättningen 6.5 % Co, 8.5 % ku- biska karbider och resten WC belades med ett 5 um tjockt skikt av TiCN. I efterföljande processteg under samma beläggningscy- kel utfälldes ett 5 pm tjockt skikt av a-Al2O3. ningen sattes syrepotentialen för bärargasen av väte, Före kärnbild- dvs. kon- centrationen av vattenànga, till mindre än 5 ppm. En reaktions- gasblandning innehållande C02, CO och AlCl3 tillsattes i följd till bärargasen av väte i därvid given ordning.

Gasblandningarna och andra processförhållanden under Al2O3- beläggningen överensstämde med A) i exempel 1.

Ovanpå Al2O3-skiktet utfälldes ett 0.2 pm TiN-skikt enligt tidigare känd teknik.

Det erhållna, belagda skäret såg mycket jämnt ut, var blankt och hade en guldliknande färg. XRD-analys visade på en texturkoefficient, TC(llO), på 2.3 för fasiga Al2O3-skiktet.

G) Hårdmetallsubstratet i F) belades med TiCN Al2O3 enligt Svensk Ansökan 9203852-O. Ytterst utfälldes ett 0.2 pm TiN-skikt under samma processbetingelser som i F). Det erhåll- (1l0)-planen i det en- (5 um) och (5 pm) såsom i F) förutom att Al2O3-processen utfördes na, belagda skäret uppvisade en mattgul färg. XRD-analys påvi- sade en texturkoefficient, T(0l2), på 2.2. och G) Skären från F) prövades med avseende på egglinje- flagning, som har beskrivits tidigare i exempel l, med följande resultat: Flagning (%) Renhet i egglinjen i eggen F) enfasigt/texturerad 22 Mycket litet a-Al2O3 enligt uppfinning- smetningar en + yttre TiN-skikt G) (012)-texturerat enligt 68 Smetningar ansökan 9203852-O + yttre TiN-skikt

Claims (1)

10 15 10 504 968 Krav

1. Metod att belägga ett skärverktyg bestående av ett sub- strat av hàrdmetall, Al2O3 varvid verktyget bringas i kontakt med en bärargas av vä- cermet eller keramik med ett skikt av a- te innehållande en ellera fler aluminiumhalider och ett hydro- lyserande och/eller oxiderande medel såsom CO2 vid hög tempera- tur i en CVD-reaktor k ä n n e t e c k n a d av att syrepoten- tialen i CVD-reaktorns atmosfär före kärnbildningen av Al2O3 hålls på en låg nivå genom att hålla en total koncentrationsni- vå för H20 eller andra oxiderande ämnen företrädesvis understigande 5 ppm, att kärnbildningen av Al2O3 startas genom en kontrollerad följd av reaktionsgaserna i följande ordning: CO2, CO och AlCl3, att temperaturen är omkring l0OO°C under kärnbildningen och att två dopämnen, varav det ena är svavelbaserat och det andra är svavelfluorbaserat, företrädesvis H28 och SF5, inleds i CVD-reaktorn antingen genom att växla mellan dessa dopämnen ett antal gånger eller genom att använda en blandning av bägge dopämnena, där den inbördes koncentrationen periodvis ändras.