SE521284C2 - Aluminiumoxidbelagt skärverktyg för metallbearbetning - Google Patents

Description

W U 20 25 30 35 521 284 2 Fig 1 visar frekvens, positiv och negativ pulsamplitud, posi- tiv och negativ puls på/av-tid.

Enligt föreliggande uppfinning föreligger ett skärverktyg för metallbearbetning omfattande ett substrat och en beläggning, var- vid substratet omfattar en kropp bestående av minst 80 vol-% ku- bisk bornitrid utan hårdmetallstöd och beläggningen omfattar åt- minstone ett tunt skikt av aluminiumoxid. Aluminiumoxidskiktet består väsentligen av y-aluminiumoxid, praktiskt taget fritt från sprickor, med en kornstorlek mellan 5 och 200 nm och en tjocklek av 1-15 pm med signifikanta röntgendiffraktionsreflexer från åt- (440) och (400) Det har en hårdhet av åtminstone 20 GPa och en kompressiv spänning av åtminstone 1 minstone ett av kristallplanen.

GPa och en föredragen tillväxtorientering i [440]-riktningen med en texturkoefficient TC¿1,5 definierad av I(hkl) Ä I(hkl) -1 Tfihkl) = 10mm) {n å :oufklfl där I(hkl) = uppmätt intensitet av (hkl)-reflexen IO(hkl) = standardintensitet från ASTM standardpulverdiffrak- tionsdata n = antal reflexer använda i beräkningen och (hkl) reflexer (111), (311), (222), (400) (440). Skiktet ut- fälls med en plasmaaktiverad CVD-metod i vilken plasmat framställs som används är: och av en bipolär, pulsad DC-spänning lagd mellan två elektroder eller två uppsättningar av elektroder i vilka substratkropparna, som skall beläggas, är fästa och elektriskt förbundna, och elektroder- na eller uppsättningarna av elektroder omväxlande verkar som anod och katod. De kemiska reaktanterna är AlCl3, H2 och Ar tillsammans med en syre-donator O2, CO2, CO eller N20. Pulsfrekvensen är mel- lan 5 och 100 kHz, företrädesvis mellan 8 och 20 kHz, pulsampli- tuderna 300 till 1000 V, företrädesvis 600 till 900 V och sub- företrädesvis 550 till 650 OC. y-Al2O3-skiktet ger skäreggarna på verktyget en ytterst jämn strattemperaturen 500 till 800 OC, ytfinhet vilket leder till en bättre ytfinish av arbetsstycket som bearbetas. Den mycket fina ytfinheten kan tillskrivas den mycket fina kristalliniteten av beläggningen. "y-Al2O3"-skiktet kan även delvis innehålla andra faser från "y-serien" såsom 9, Ö och q.

Identifikation av y- och/eller 6-faserna i Al2O3-skikt enligt upp- W U 20 25 30 35 40 521 284 3 finningen kan företrädesvis göras med röntgendiffraktion. Reflexer från (400) och (440) plan av y-Al2O3-skiktet vid 26-vinklarna 45,80 och 66,80 med användning av CuKd-strålning, identifierar entydigt (222), (200) och (311) plan av y-fa- sen kan någon gång identifieras. När y-fasen föreligger i Al2O3- y-fasen. Svagare reflexer från skiktet enligt uppfinningen, identifieras sagda fas med reflexer (200, 20-2) En ytterligare förbättring i skärprestanda kan förväntas om från planen. eggarna av det y-Al2O3-belagda verktyget enligt uppfinningen be- handlas med en mild våt-blästringsprocess eller med eggborstning med borstar baserade på t ex SiC som beskrivs i US 5,86l,2l0.

Den totala beläggningstjockleken enligt föreliggande uppfin- ning varierar mellan 0,5 och 20 um, företrädesvis mellan 1 och 15 pm med tjockleken av de icke-Al2O3-skikten varierande mellan 0,1 och 10 um, företrädesvis mellan 0,5 och 5 pm. Den finkorniga y- Al2O3-beläggningen kan även utfällas direkt ovanpå CBN-verktyget, och tjockleken av sagda y-Al2O3 varierar då mellan 0,5 och 15 pm företrädesvis mellan 1 och 10 pm. Likaledes kan ytterligare be- läggningar av metallnitrider och/eller karbider med metallelemen- tet valt från Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W och Al utfällas på Al2O3-skiktet. y-Al2O3-skiktet utfälls med en plasmaaktivering av en reak- tionsblandning av de kemiska reaktanterna AlC13, H2 och Ar till- sammans med en syre-donator O2, C02, CO och N20. Företrädesvis är syredonatorn O2. Plasmat framställs genom att lägga på en bipolär, pulsad DC-spänning över två elektroder eller tvâ uppsättningar av elektroder på vilka substratkropparna, som skall beläggas, är fästa och elektriskt förbundna. Alternativt fungerar reaktorväggen som en elektrod. De två elektroderna eller två uppsättningarna av elektroder verkar omväxlande som anod och katod. Ändringen i spän- ningspulsen lagd pà elektroderna mellan positiv och negativ poten- tial har flera fördelar. För det första kommer under den negativa pulsperioden den icke önskvärda uppbyggda elektronladdningen på icke-ledande ytor att bli urladdad under den positiva pulsperioden och genom att välja en tillräckligt hög frekvens, >5 kHz, för den bipolära, pulsade DC-spänningen, kan arcing elimineras. Detta kom- mer att tillåta stabila, långa beläggningstider. För det andra om ingen paus mellan de positiva och negativa pulserna tillåts, kom- mer plasmat att ständigt vara aktiverat vilket resulterar i en högre beläggningshastighet jämfört med tidigare kända unipolära, 10 15 20 25 30 521 284 pulsade DC-spänningstekniker. En ytterligare fördel med metoden är att tillväxthastigheten för beläggningen är praktiskt taget kon- stant på alla ytor såsom eggar, hörn och plana ytor av kroppen ut- satta för beläggning. Bipolär, pulsad DC-spänning PA-CVD kan även framgångsrikt användas för beläggning med icke-isolerande belägg- ningar såsom TiC, TiN, TiCN och TiAlN, eller andra karbider och/eller nitrider med metallelementet valt från Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, och W.

För att uppnå optimal beläggningskvalitet och tillväxthastig- het vid användning av den bipolära, pulsade DC-spänningstekniken kan frekvens, pulsamplitud, positiv och negativ puls på/av-tid va- rieras som illustreras i Fig. 1. En frekvens i området 5-100 kHz kan användas, företrädesvis 8-20 kHz. ras mellan 300 och 1000 V, företrädesvis mellan 600 och 900 V, och Pulsamplituderna kan varie- den negativa och positiva pulsens på-tid såväl som den negativa och positiva pulsens av-tid (nollpotential) inom perioden T av den pulsade DC-spänningen kan även varieras för att modifiera belägg- ningens egenskaper och stabiliteten hos processen. Nedan följer definitionerna av parametrarna P+, P-, t+, t-, A+ och A-: Puls på tid positiv = P+ Puls på tid negativ = P- t+ Puls av tid negativ II ll Fi' I Puls av tid positiv Positiv pulsamplitud = A+ Negativ pulsamplitud = A- där P- 2 P+ 2 0,1 P-, företrädesvis 0,5 P- 2 P+ Z 0,1 P-, och där även P- 2 0,lT.

Den negativa och positiva puls av tiden skall väljas större eller lika med noll d v s t- 2 0 och t+ Z 0. Amplituden A+ är vä- sentligen lika stor som amplituden A-.

Följande gassammansättning, processtryck och substrattempera- tur kan användas: W Ü 521 284 Möjligt intervall Föredraget intervall Alcl3 o,1-2 % o,2-o,4 % 02 o,1-3,9 % o,1-2,o % H2 25-95 % vo-so % Ar 5-75 % 20-30 % o2/A1cl3-kvoc >1,5 1,5-2,5 Processtryck: 0,05-1 kPa 0,1-0,4 kPa Substrat- temperatur: 500-800 OC 600-700 OC Det ligger inom fackmannens kompetensområde att fastställa om den nödvändiga kornstorleken och fassammansättningen har erhållits och att modifiera beläggningsbetingelserna i enlighet med förelig- gande beskrivning, om önskat, för att påverka strukturen av Al2O3- beläggningen inom ramen för uppfinningen.

Claims (1)

10 15 20 25 30 35 521 284 6 Krav

1. Skärverktyg för metallbearbetning omfattande ett substrat och en beläggning, varvid substratet omfattar en kropp bestående av mer än 80 vol-% kubisk bornitrid utan hårdmetallstöd och beläggningen omfattar ett eller flera skikt av refraktära föreningar av vilka åtminstone ett består av finkornig, kristallin aluminiumoxid, k ä n n e t e c k n a t av att aluminiumoxidskiktet väsentligen består av y-aluminiumoxid med en kornstorlek mellan 5 och 200 nm och en tjocklek av 1-15 pm med signifikanta röntgendiffraktionsreflexer från åtminstone ett av (440) och (400) kristallplanen, med en hårdhet av åtminstone 20 GPa och en kompressiv spänning av åtminstone 1 GPa och med en föredragen tillväxtorientering i [440]-riktningen med en texturkoefficient 31,5 definierad av I(hkl) 1 I(hkl) -1 TC(hkl) = íaí (5 Z-Iíríffl där I(hkl) = uppmätt intensitet av (hkl)-reflexen IO(hkl) = standardintensitet från ASTM standardpulverdiffrak- tionsdata n = antal reflexer använda i beräkningen och (hkl) reflexer (111), (311), (222), (400) (440) varvid skiktet utfällts med en plasmaaktiverad CVD-metod i som används är: och vilken plasmat framställs av en bipolär, pulsad DC-spänning lagd mellan två elektroder eller två uppsättningar av elektroder i vilka substratkropparna, som skall beläggas, är fästa och elektriskt förbundna, och elektroderna eller uppsättningarna av elektroder omväxlande verkar som anod och katod, att de kemiska reaktanterna är AlCl3, H2 och Ar tillsammans med en syre-donator 02, C02, CO eller N20, att pulsfrekvensen är mellan 5 och 100 kHz, företrädesvis mellan 8 och 20 kHz, att pulsamplituderna är 300 till 1000 V, företrädesvis 600 till 900 V och att substrattemperaturen är 500 till 800 OC, företrädesvis 550 till 650 OC.