SYSTÉM TENKÁ VRSTVA SUBSTRÁT V APLIKACI NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH

Antonín Kříž Univerzitní 22, 306 14 Plzeň, e-mail: kriz@kmm.zcu.cz

Západočeská univerzita v Plzni

Tento příspěvek vznikl na základě řešení postdoktorandského grantu 106/03/P092.

Kde začala průmyslová aplikace

1967 – CVD vrstva TiC na řezné destičce ze slinutého karbidu

2/30

Systém tenká vrstva-substrát

Deponované tenké vrstvy je třeba chápat jako systém, neboť vrstva pro svoji tloušťku dosahuje společně se substrátem specifických vlastností a chování.

3/30

Systém tenká vrstva-substrát

Otěruvzdorná vrstvaOdolnost proti opotřebeníRedukce třeníKorozní odolnostDifúzní bariéraTepelná bariéra

SubstrátGeometriePevnostTuhost

MezivrstvaAdhezeBariéra rozvoje trhlinKompenzace diletace a pnutí Modifikace struktury a morfologieStabilizace růstu vrstvy

4/30

ostatní -kombinace

50%

řezné materiály

19%

geometrie řezných

nástrojů 1%tenké vrstvy

30%

Vše začíná již od substrátu

Správná volba substrátu

Povrch substrátu + geometrie

Velmi málo pozornosti se věnuje geometrii

5/30

DepoziceCVD: TiN, TiCN, Al2O3 , ….. DLCPVD: TiN, TiCN, TiAlN,AlTiN, TiAlSiN, TiB2, CrN, WC/C, MoS2, DLC,....

komplexní systémy Systémy:MonovrstvaMonovrstva s adhezní vrstvičkou Gradientní vrstvaNanostrukturovaná vrstvaNanokompozitní vrstva

KOVALENTNÍVAZBA

KOVOVÁ VAZBA

HETERO-POLÁRNÍ

(IONTOVÁ)VAZBA

TiC

WCTiN

TiB2

Al2O3

ZrO2

Si3N4

C

AlNSiC

6/30

PVD10µm

Základní depoziční procesy

1050°C

950°C

750°C

500°C

300°C

Chemical Vapor DepositionCVD

Plasma AssistedChemical Vapor DepositionPACVD

Physical Vapor DepositionPVD

CVD10µm

7/30

Depoziční procesyDepoziční procesyVlastnosti vrstvyVlastnosti vrstvy

1050°C

950°C

750°C

500°C

300°C

CVD

PACVD

PVD

Adheze

Pnutí

Teplotní stabilita

8/30

0

1000

2000

3000

4000

5000

1950-1980 1980-1990 1990-2001 2000-2010

CVD

PVDP

ub

lika

ce

Časový průběh výzkumných prací zabývající se CVD/PVD technologií Klíčová slova: CVD / PVD, coatings, wear, tool, tribology Zdroj: COMPENDEX, METADEX, CHEM. ABSTRACTS

9/30

CVDChemical Vapor Deposition

10/30

10µm

A1/57/4

DC Strom-versorgung

Werkstücke

Plasma

MagnetronKathode Magnet

Gasfluss-messungund Regelung

Ar

N2

C2H2

etc.

Substrat-Strom-versorgung

Schicht-dickenMessgerät(Schwingquarz)

Turbomolekular Pumpstation

PVD depozice Magnetronové naprašování

Obloukové odpařování katody

11/30

Běžná struktura vrstvy [1]

Monovrstva

12/30

Monovrstva s adhezní vrstvičkou

Běžná struktura vrstvy [1]

Monovrstva

13/30

Monovrstva s adhezní vrstvičkou

Monovrstva

Moderní struktura vrstvy [1]

Gradientní vrstva

14/30

Gradientní vrstvaMonovrstva s adhezní vrstvičkou

Monovrstva

Moderní struktura vrstvy [1]

15/30

100 nm

Nanovrstevná struktura

Moderní struktura vrstvy - Nanostrukturované vrstvy [1]

16/30

Nárůst tvrdosti pomocí řízené periody vrstev - příklad

Supermřížka – nanovrstvy [1]

TiN-CrN

AlN

TiN-CrN

7 nm

Zdroj: Nortwestern University, IL, USA

1 10 100 1000

perioda nanovrstev [nm]

0

10

20

30

40

50nanotvrdost; [GPa]

17/30

100 nm

Nanovrstevná struktura Nanokompozitní struktura

Moderní struktura vrstvy [1]: - Nanostrukturované - Nanokompozitní

18/30

Nanokompozitní struktura; nc- (Ti1-x Alx)/a-Si3N4 [1]

Model

Source: S. Veprek, TU München

TEM obrázek monovrstvy nc-kompozitu

Měřeno v EPF, Lausanne

Zdroj: S. Veprek, TU Munich

19/30

Zvýšení mikrotvrdosti aplikací progresivních tenkých vrstev TiAlSiN

20/30

The Camel-Curve ® : Nanocomposite Structure Eliminates Disadvantages of Conventional Coating

nACRo ®: Nanocomposite: (nc-AlCrN)/(a- Si 3N4)

AlCrN

nACo … nanokompozit založený na Ti …. nc-AlTiN / a-Si3N4

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

21/30

Base CrN VN TiN WN NbN ZrN HfNmax. AlNc 77,2 72,4 65,3 53,9 52,9 33,4 21,2

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

Vliv množství hliníku na vznik hexagonální strukturní mřížky

0 20 40 60 80 100

10

20

30

40 T 25[°C]

AlCrSiNAlTiSiN

Al [at%]

Hardness0.07

[GPa]

22/30

Odolnost proti oxidaci u vrstev s obsahem Al

A - TiAlN B - AlTiN

AlTiN/Si3N4D – AlTiN – 60%Al

900°C in air, 60 min

23/30

TiN – DS*

-Al2O3

Ti(C,N,O)

TiN

CVD depozice vrstvy TiN+ Al2O3+TiNSubstrát – ultrajemný SK

Sandvik GC 3205

24/30

Rozdělení odváděného tepla v závislosti na řezné rychlosti při obrábění oceli

Lavinovitý otěr nástroje následkem tepelného i mechanického přetížení

Teplotní přetížení nástroje – nejčastější příčina poškození

Vrstvy jako např. Al2O3 popř. AlTiN vytváří tepelné bariéry

25/30

CVD depozice vrstvy Ti(C,N)+ Al2O3+TiNSubstrát – neoxidická keramika Si3N4

Další trendy depozic

Depozice řezné keramiky

26/30

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

Srovnání - "PIN - on - DISC" ball Al2O3

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35

Dráha v km

ko

ef. t

řen

í

MoS2 AlTiN Vrstva na bázi uhlíku

MoS2

Vrstva na bázi uhlíku

AlTiN

Srovnání koef. tření – kulička Al2O3

Frikční vrstvy

Ternární fázový diagram vazeb u a –C:H.

Krystalografická mřížka MoS2 27/30

Hodnoty trvanlivosti T při limitním opotřebení VB=0,3 mm

0

50

100

150

200

250

40 50 60 70 80Řezná rychlost v (m/min)

Trv

anliv

ost

T (

min

)

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)

1.5

1.3

0.8

0.8

0.7

0.8

1.2

1.0

0.4

1.3

1.5

1.9

2.2

2.0

1.8

1.8

1.3

1.8

1.31.20.9

1.31.51.6

1.2

1.7

0.8

2.0

3.5

2.7

1.31.82.3

1.74.13.9

1.7

1.5

1.0

1.5

1.1

1.3

1.41.93.6

0.93.21.5

1.6

2.2

2.4

3.5

2.2

2.4

2.3

1.4

0.8

3.6

3.8

2.1

1.0

1.2

1.1

2.3

3.5

2.4

0.5

1.0

1.3

0.8

0.91.0

Ra

V minulosti byla hlavní pozornost věnována ekonomice obrábění

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

28/30

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)

29/30

Závěr

Depozice i tenké vrstvy samotné prodělaly za posledních 40 let značný vývoj. Ovlivnily celou řadu odvětví, přesto jejich možnosti nejsou ještě plně zmapovány natož vyčerpány.

Pro jejich rychlejší aplikaci je důležitá komunikace mezi výrobcem – (depozice), zkušební laboratoří, výrobcem nástrojů a konečným uživatelem.

Prezentaci společně s příspěvkem je možné stáhnout na internetových stránkách: www.ateam.zcu.czwww.ateam.zcu.cz

30/30