tenké vrstvy nitridů kovů - zcu.cz

Tenké

vrstvy nitridů

kovů–

výroba, aplikace, vlastnosti

Začátek průmyslové

aplikace tenkých vrstev v oblasti řezných nástrojů

1968 –

CVD depozice vrstvy TiC

na řezné

destičce ze slinutého karbidu

2/49

Co je to tenká

vrstva?

Srovnání

tloušťek lidského vlasu a vrstvy deponované

CVD technologií

(u PVD vrstev je tloušťka 1-

5μm)

3/49

Materiál StrukturaTiN 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

BarvaPovlak

Mikrotvrdost Součinitel tření

Maximální prac. teplota

Katalogové

vlastnosti vrstev firmy LISS Platit a.s. Další

firmy působící

na trhu v ČR budou uvedeny v závěru

4/49

Rozšíření

použitelnosti řezného nástroje

Důležité

vlastnosti řezného nástroje• tvrdost • nízký koeficient tření• tepelná

bariéra

Zdroj: Martin Kathrein,

AktuelleAktuelle

EntwicklungenEntwicklungen

in der in der HartmetallbeschichtungHartmetallbeschichtung, , CeratizitCeratizit

--

SeminarkundeSeminarkunde

5/49

Zdroj: Ceme

Con, Kunden

Magazin

fur

Beschichtungstechnologie,

Science, Nr. 10, Januar

2004

Vrstvy firmy LISS Platit a.s.

Vrstva

Rozhraní

Substrát

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.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.

6/49

Otěruvzdorná

vrstvaOdolnost proti opotřebeníRedukce třeníKorozní

odolnostDifúzní

bariéraTepelná

bariéra

SubstrátPevnostTuhostGeometrie

MezivrstvaAdhezeBariéra rozvoje trhlinKompenzace diletace

a pnutíModifikace struktury a morfologie

Pro zajištění

požadovaných vlastností

je nutné

věnovat pozornost všem složkám tvořícídaný systém

7/49

Substrát –

základní

materiálVlastnosti materiálu

Slinutý karbid

Jemnozrnnost, chemické

složení, vhodnost k depozici

Zabránění

šíření

trhliny ve slinutýchkarbidech řeší

firma Tungaloy

vhodnou

strukturouZdroj: Tungaloy

Co., Ltd., http://www.tungaloy.com/disktech.html8/49

Nesmí

dojít k degradaci vlastností

substrátu

Změna obsahu uhlíkuna povrchu substrátunásledkem nevhodných parametrů

CVD depozice

(častý proces u TiCN)Změna obsahu kobaltu na povrchu substrátunásledkem nevhodných parametrů

PVD depozice

-

iontového čištění9/49

Úbytek kobaltu

W Co

Ti

NAl

C

Substrát –

základní

materiálVlastnosti materiálu

Rychlořezná

ocel

Depozicí

vrstvy nesmí

dojít k popuštění

materiálu Kvalitní

materiál je nutnou podmínkou pro kvalitní

nástroj

deponovaná

vrstva nemůžezachránit materiálové

prohřešky!

10/49

ostatní -kombinace

50%

řezné materiály

19%

geometrie řezných

nástrojů 1%tenké vrstvy

30%

Geometrie nástroje –

často opomíjený faktor

Rozdělení

hlavních nároků

patentových přihlášek v oboru řezných nástrojů

v Německu. r. 2002

Zdroj: Evropský patentový úřad Mnichov

11/49

Změna geometrie nástroje způsobila výrazné

zlepšení

trvanlivosti

Zdroj: Ceme

Con, Kunden

Magazin

fur

Beschichtungstechnologie

Tools, Nr. 21, May 2004 12/49

Vedle geometrie je důležité

i správné

ostří

a stav povrchuBřit

nástroje

13/49

Pevně

adhezně

uchycené

nečistoty na povrchu mohou způsobit problémy při depozici

Před omletím Po omletí

Reálný stav ostří

Základní

depoziční

technologie

CVD: TiN, TiCN, Al2

O3 , ….. DLCPVD: TiN, TiCN, TiAlN,AlTiN, TiAlSiN,

TiB2

, CrN, CrAlSiN, WC/C, MoS2

, PLC,....

Vrstvy aplikované na nástrojích z RO

0

10

2030

40

50

60

7080

90

100

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004

Rok

Podí

l [%

]

TiN

TiCN TiAlN

Ostatní vrstvy

14/49

PVD10µm

Základní

depoziční

procesy

1050°C

950°C

750°C

500°C

300°C

Chemical

Vapor

DepositionCVD

Plasma AssistedChemical

Vapor

Deposition

PACVD

Physical

Vapor

DepositionPVD

CVD10µm

15/49

DepoziDepoziččnníí

procesyprocesyVlastnosti vrstvyVlastnosti vrstvy

1050°C

950°C

750°C

500°C

300°C

CVD

PACVD

PVD

Adheze

Pnutí

Teplotní

stabilita

16/49

0

1000

2000

3000

4000

5000

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

CVD

PVDPu

blik

ace

Časový průběh výzkumných prací

zabývající

se CVD/PVD technologiíKlíčová

slova: CVD / PVD, coatings, wear, tool, tribology

Období

2000-2010 je předpokládaný stavZdroj: COMPENDEX, METADEX, CHEM. ABSTRACTS

17/49

Odborná

literatura věnuje oběma technologiím stejnou pozornost

CVDChemical

Vapor

Deposition


AktuelleAktuelle



--


18/49

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 Makročástice

19/49

5 mμ

Schéma depozičního zařízení

s dutými katodami

Původní

zařízení

firmy SHM pracovalo pouze s centrální

dutou katodou

Vývoj progresivních depozičních zařízení

20/49

LARC®: LAteral

Rotating

ARC-Cathodes

PLATIT -

π80

Vývoj progresivních depozičních PVD procesů u firmy PIVOT–

obloukové

odpařování

katody

CERC®: CEntral

Rotating

ARC-Cathodes

21/49

Typy vrstev:MonovrstvaMonovrstva

s „adhezní“

vrstvičkou

Gradientní

vrstvaSendvičově řešená

vrstva

Nanostrukturovaná

vrstvaNanokompozitní

vrstva


AktuelleAktuelle



--


KOVALENTNÍVAZBA

KOVOVÁVAZBA

HETERO-POLÁRNÍ

(IONTOVÁ)VAZBA

TiC

WCTiN

TiB2

Al2

O3

ZrO2

Si3

N4

C

AlNSiC

Druhy vazeb

Hodnota kovalentního charakteru

iontové vazby

Hodnota iontového charakteru

kovalentní vazby

Tenké

vrstvy velmi často neodpovídají

nejen vlastnostmi, ale i svými vazbami objemovým materiálům. Následkem nerovnovážných depozičních procesů

vznikají

tyto

metastabilní

fáze.Příkladem je TiN, která

má

dle řady

autorů, i jistý stupeň

kovové

vazby, přičemž

objemový materiál

se vyznačuje

vysokým stupněm iontové

vazby.22/49

„Klasická“

struktura vrstvy

Monovrstva


AktuelleAktuelle



--


Rok: 1968Jedna vrstva

23/49

Monovrstva s „adhezní“

vrstvičkou

„Klasická“

struktura vrstvy


AktuelleAktuelle



--


70. léta

24/49

Moderní

struktura vrstvy

Gradientní

vrstvaZdroj: Martin Kathrein,

AktuelleAktuelle



--


80. léta

25/49

Gradientní

vrstvaMonovrstva s adhezní

vrstvičkouMonovrstva

Moderní

struktura vrstvy


AktuelleAktuelle



--


80. léta

26/49

Moderní

struktura vrstvy

Sendvičově řešená

vrstva

27/49

Skladba vrstvy

Část výbrusu kaloty

100 nm

Nanovrstevná

struktura

Moderní

struktura vrstvy

-

Nanostrukturované

vrstvy

Zdroj: Pavel Holubář, Nová

průmyslová

technologie povlakování

Přednáška Vrstvy a Povlaky 2003

Schématický postup šíření

trhlinymultivrstevným

systémem

Substrát

28/49

Příklad nárůstu tvrdosti pomocí

řízené

periody vrstevSupermřížka

–

nanovrstvy

TiN-CrN

AlN

TiN-CrN

7 nm

Zdroj: Nortwestern

University, IL, USA

1 10 100 1000perioda nanovrstev

[nm]

0

10

20

30

40

50nanotvrdost; [GPa]

29/49

Nanokompozitní

struktura; nc-

(Ti1-x

Alx

)/a-Si3

N4

Model

Source: S. Veprek, TU München

TEM obrázek monovrstvy

nc-kompozitu

Zdroj: S. Veprek, TU MnichovMěřeno v EPF, Lausanne

Zdroj: S. Veprek, TU Mnichov

30/49

Nanorozměrové

krystaly AlTiN

jsou „vsazeny“

do matrice Si3

N4

Zvýšení

mikrotvrdosti

aplikací

progresivních tenkých vrstev TiAlSiN

Zdroj: Cselle

Tibor, přednáška Quo

Vadis

Coating, Vrstvy a Povlaky 2004

Tvrdost

Tvrdost [GPa]

NedeponovanéSK

TiN TiAlNAlTiN

TiAlSiN

31/49

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

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

AlCrN

nACo

… nanokompozit

založený na bázi Ti …. nc-AlTiN

/ a-Si3

N4Největší

novinka roku 2006 v oblasti průmyslové

aplikace tenkých vrstev na řezných nástrojích je

nACRo

.. nanokompozit

založený na bázi Cr

… nc-AlCrN

/ a-Si3

N4

Zdroj: Cselle

Tibor, přednáška Quo

Vadis

Coating, Vrstvy a Povlaky 200432/49

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

Množství

(atomární) Al

kdy převažuje hexagonální

mřížka

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]

Zdroj: Ceme

Con, Kunden

Magazin

fur

Beschichtungstechnologie,

Tools, Nr. 17, September

2004

33/49

Rozdělení

odváděného tepla v závislosti na řezné

rychlosti při obrábění

oceli

Lavinovitý otěr nástroje následkem tepelného i mechanického přetížení

Teplotní

přetížení

nástroje –

častá

příčina jeho poškození

Vrstvy jako např. Al2

O3

popř. AlTiN vytváří účinné

tepelné

bariéry

34/49

Odolnost proti oxidaci u vrstev s obsahem Al

TiN

TiAlSiN

TiAlN

AlTiN–

60%Al

900

C vzduch, 60 min

35/49

TiN

–

DS*

α-Al2

O3

Ti(C,N,O)

TiN

CVD depozice vrstvy TiN+ Al2

O3

+TiNSubstrát –

ultrajemný

SK

Sandvik

GC 3205

MT-Ti(C0,47

,N0,53

)

36/49

CVD depozice vrstvy Ti(C,N)+ Al2

O3

+TiNSubstrát –

neoxidická

keramika Si3

N4

Další

trendy depozic

Depozice řezné

keramiky

Lom systému a hloubkový koncentrační

profil analýzy GD-OES –

na povrchu je nepatrná

vrstva TiN, následuje „šedivá“

Al2

O3

a TiCN37/49

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

koef

. tře

ní

MoS2 AlTiN Vrstva na bázi uhlíku

MoS2

Vrstva na bázi uhlíku

AlTiN

Srovnání

koef. tření

–

„PIN“

(kulička) Al2

O3

Kluzné

vrstvy

Ternární

fázový diagram vazeb u a –C:H.

Krystalografická

mřížka MoS2

sp

38/49

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)

Trva

nliv

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)

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.

39/49

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

40/49

Mat: 38MnV35 -

Rm=800 N/mm 2 -

Emulsion 7%K40UF -

d=12.6mm -

ap=13,5mm -

vc=78 m/min -

f=0.25 mm/UQuelle: DC, Stuttgart, Gühring, Sigmaringen

4.5 4.5

28

51

7.4

10.8

27

50

TiN Multivrstva

TiAlN0

10

20

30

40

50

60Odvrtaná

délka; Lf

[m]

Bez PVD Povlakovaný

nástroj přeostřeno Přeostřeno+přepovlakováno

Vyplatí

se depozice řezných nástrojů?

Bezvrstvy

Bezvrstvy

Depozice

Přeostřeno

Přeostřeno a deponováno

Depozice

Přeostřeno

Přeostřeno a deponováno

Bezvrstvy

TiN TiAlN

78,-

Kč

/1m

odv

rtan

édé

lky

288,

-Kč

/1m

odv

rtan

édé

lky

288,

-Kč

/1m

odv

rtan

édé

lky

45,-

Kč

/1m odvrtané

délky

41/49

Ceny dle firmy Hofmeister

s.r.o.

Laboratorní

analýzy systému tenká

vrstva -

substrát

42/49

České

firmy zabývající

se depozicí

tenkých vrstev

43/49

Katalogové

vlastnosti vrstev firmy Balzers

Katalogové

druhy vrstev a jejich aplikace od firmy HVM Plasma

44/49

Katalogové

druhy vrstev firmy SHM

materiál nástroje ⇒

rychlořezná ocel

slinutý karbid

Popis vrstvy

vhodné? vhodné? LARC® vrstvy AlTiN-ML ANO ANO nanovrstevná multivrstva AlTiN AlTiN-G ANO ANO nanovrstevná gradientní vrstva AlTiN AlTiSiN-ML NE ANO nanokompozitní multivrstva AlTiSiN AlTiSiN-G NE ANO nanokmpozitní gradientní vrstva

AlTiSiN AlTiSiN-MLH NE ANO nanokompozitní multivrstva AlTiSiN

pro HSC

MARWIN® vrstvy

MARWIN®SI NE ANO nanokompozitní monovrstva TiAlSiN

MARWIN®MT NE ANO nanokompozitní multivrstva TiAlSiN

MARWIN®AL ANO ANO nanovrstevná gradientní vrstva AlTiN

TiN ANO ANO TiN monovrstva

45/49

Katalogové

druhy vrstev firmy Czech

Coating

a jejich vlastnosti

46/49

Katalogové

druhy vrstev firmy Guehring

a jejich vlastnosti

47/49

Katalogové

druhy vrstev firmy Ceme

Con

a jejich vlastnosti

48/49

ZávěrDepozice 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.

49/49

tenké vrstvy nitridů kovů - zcu.cz

Documents