Mechanické vlastnosti otěruvzdorných PVD vrstev na substrátu ze slinutého karbidu. Kříž Antonín 1) Ringelhán Karel 2)

Transkript

1 Mechanické vlastnosti otěruvzdorných PVD vrstev na substrátu ze slinutého karbidu Kříž Antonín 1) Ringelhán Karel 2) 1) Department of Material Engineering and Engineering Metallurgy 2) Department of Machining Technology ZČU-Plzeň, Univerzitní 22, Plzeň , Czech Republic Abstrakt A thin hard nitride coating enhances the tool lifetime of cutting tools due not only to its tribological properties but also because it considerably reduces the mechanical and heatrelated wear of the substrate. Thanks to this, cutting edges equipped with this thin layer can remain in operation much longer than cutting tools without the special coating. Apart from the already mentioned qualities, improvement in cutting edges durability is made possible by a greater resistance against abrasive wear. The thin layer, forming a compact unit with the cutting tool, must by means of its chemical stability maintain a high quality diffuse barrier. The system characteristics are also dependent on its adhesive-cohesion behavior. The demands on the thin coating are especially high considering the need of unchanged output even in high temperatures, which occur in the cutting process. Individual types of the usual binary nitrides meet these requirements only partially. To reach the best results, it is necessary to combine coatings of conventional binary nitrides of titanium (TiN) with modern coatings based on TiAIN. These coatings are designed either in a sandwich-like setting or in a multilayer arrangement, where individual layers alternate periodically. Adding silicon to enrich the thin layer material considerably improves the compact character thereof, which then hightens the hardness and heat stability of the material. 1. ÚVOD Tenká vrstva nitridu kovu zvyšuje trvanlivost řezných nástrojů jednak díky vlastním tribologickým vlastnostem a dále díky tomu, že výrazně omezuje tepelné a mechanické namáhání substrátu. Z tohoto důvodu mají nástroje opatřené těmito vrstvami podstatně vyšší životnost ostří. Vedle uvedených vlastností je zlepšení užitných vlastností nástroje vyvoláno zvýšenou odolností proti abrazivnímu opotřebení. Vrstva, tvořící z důvodů své tloušťky s nástrojem systém, musí vytvářet svojí chemickou stabilitou kvalitní difúzní bariéru. Vlastnosti sytému jsou rovněž závislé na jeho adhezivně-kohezivním chování. Požadavky na vrstvy jsou o to vyšší, že uvedené vlastnosti si musí zachovat systém i při vyšších teplotách, které doprovází proces obrábění. Jednotlivé druhy klasických binárních nitridů splňují tyto požadavky jen částečně. K dosažení optimálních výsledků systému je nutno volit kombinaci jednotlivých vrstev klasických binárních nitridů TiN modernějšími vrstvami, které jsou na bázi TiAlN. Tyto vrstvy (obr.č. 1) jsou řešené buď formou sendvičových systémů, nebo multivrstevnnými systémy, kdy se jednotlivé vrstvy periodicky opakují. Obohacením vrstev o křemík, se výrazně zlepší kompaktnost vrstvy (sníží se zrnitost struktury), což se projeví na zvýšení tvrdosti a tepelné stability [1]. 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL Analyzované TiN byly deponovány na substrát ze slinutého karbidu označeného jako K 20 technologií PVD reaktivním nízkonapěťovým obloukovým odpařováním katody ve vakuu. Depozice byla provedena na referenční vzorky - o průměru 20 mm a tloušťky 4mm a na řezné destičky ISO SPUN Shodná drsnost povrchu referenčních vzorků a břitových destiček před depozicí byla zajištěna stejným technologickým procesem broušení. V tabulce č. 1 jsou uvedeny nadeponované vzorky s jejich tloušťkou stanovenou 1

2 metodou kalotestu, tak i stanovením z fraktografického sledování systému. V tabulce je uvedeno i značení jednotlivých systémů tenká vrstva-substrát. Obr.č. 1 Schéma skladby vrstev aplikovaných v praxi na řezných nástrojích Tabulka č. 1 Tloušťka analyzovaných vrstev Druh vrstvy Označení Tloušťka vrstvy [µm] Kalotest Fraktografie TiN TiN 2,8 2,2 TiN TiP 2,6 1,9 TiAlN AlP 2,3 2 TiAlSiN α 3,8 3 TiAlSiN β 6,1 5,4 Tloušťka byla stanovena jednak pomocí kalotestu a dále z příčného rozlomení vzorků za teploty tekutého dusíku tj. 196 C. Rozlomení bylo provedeno tak, aby ve vrstvě byla generována pouze tahová pnutí, která nezpůsobí, tak jako pnutí tlaková, odtržení vrstvy větších rozměrů. Na příčně rozlomených vzorcích bylo provedeno sledování struktury vrstev obr. č Z lomů vyplývá, že parametry depozice byly voleny tak, aby vrstvy měly charakteristickou strukturu zóny T [2]. Fraktografické sledování bylo prováděno na SEM Tesla BS 340 v režimu sekundárních elektronů. U všech sledovaných vrstev je pozorován velký výskyt makročástic, jejichž přítomnost je dána použitou technologií depozice. Z fraktografického pozorování dále vyplývá, že v oblasti rozhraní jsou pozorovány nepatrné adhezní trhliny u vrstvy TiN a dále u vrstvy TiAlN-AlP, u které dosahují tyto velmi nepatrných až téměř zanedbatelných rozměrů. S ohledem na aplikaci sledovaných vrstev na řezné nástroje byly voleny takové analýzy, jejichž výsledky objasňují a přibližují chování vytvořeného systému v procesu obrábění. Jak již bylo uvedeno v úvodu mezi nejdůležitější vlastnosti, které ovlivňují trvanlivost nástroje patří: mikrotvrodst, adhezivně-kohezivní chování, tribologické vlastnosti a v neposlední řadě taky schopnost vrstvy zabránit tepelné a chemické degradaci nástroje. V následujících kapitolách budou uvedeny výsledky z provedených analýz popisující mechanické vlastnosti systému tenká vrstva-substrát. Tyto výsledky budou dány v závěru do souvislosti s prozatím provedenými analýzami trvanlivosti břitových destiček s těmito vrstvami aplikovanými v procesu obrábění. 2

3 METAL 2002 Obr. 2 Vrstva TiN jejíž tloušťka je z fraktografického měření 2,2µm. Obr. 4 Vrstva TiAlN - AlP jejíž tloušťka je z fraktografického měření 2 µm. Obr. 3 Vrstva TiN - TiP jejíž tloušťka je z fraktografického měření 1,9µm. Obr. 5 Vrstva TiAlSiN - α jejíž tloušťka je z fraktografického měření 3 µm. Obr. 6 Vrstva TiAlSiN - β jejíž tloušťka je z fraktografického měření 5,4 µm. 2. Hloubkové koncentrační profily deponovaných vrstev Chemická skladba spolu s mikrostrukturou a fázovým složením vrstev ovlivňuje vlastnosti celého systému. Z tohoto důvodu byly sledované vrstvy podrobeny spektrální analýze GDOES, která byla provedena na zařízení LECO SDP-750. Z výsledků koncentračních hloubkových profilů vyplývá, že u žádné vrstvy nedošlo následkem předdepozičního procesu iontového čištění a ohřevu substrátu k nežádoucí 3

4 degradaci, která se projevuje úbytkem pojiva-kobaltu z povrchových lokalit obr.č.7. Toto snížení koncentrace má za následek podstatné zhoršení mechanických vlastností celého systému, které se projeví špatnými adhezně-kohezními vlastnostmi a zvýšenou křehkostí. Obr.č. 7 Příklad hloubkového koncentračního profilu systému tenká vrstva-substrát, u kterého následkem nevhodných předdepozičních parametrů nastala změna kobaltu v povrchových vrstvách. Z posouzení hloubkovýcho koncentračních profilů vyplývají tyto závěry. U vrstvy TiN se v oblasti rozhranní vyskytuje nepatrná mezivrstva titanu, která zmírňuje pokles koncentrační křivky tohoto prvku. Na povrchu vrstvy je vyšší koncentrace dusíku a nižší koncentrace titanu. Tato změna není způsobena pouze absorpcí vzduchu na povrchu, která je pozorovatelná u všech měření metodou GDOES. Z velikosti intenzity a šířky píku lze předpokládat, že na povrchu bude vrstva TiN obsahovat skutečně vyšší procento dusíku. U vrstvy TiN-TiP je v oblasti rozhranní rovněž nepatrná mezivrstva titanu. Na povrchu této vrstvy není tak výrazný pokles titanu, jako u vrstvy TiN. Vrstva TiAlN má opět mezivrstvu titanu. Obsah hliníku se postupně zvyšuje v polovině tloušťky vrstvy kulminuje a následně klesá, na povrchu systému je pouze TiN. Tento trend, kdy je na povrchu sendvičových, graduovaných popř. směsných vrstev nitridu titanu je velmi častý. Udává se, že nitrid titanu má podstatně lepší tribologické vlastnosti, než nitridy jiných kovů[3]. Opačný trend má analyzovaná směsná vrstva TiAlSiN-α na jejímž povrchu klesá obsah titanu, naopak roste obsah křemíku a hliníku. Tato vrstva má prokazatelnou titanovou mezivrstvu na rozhraní vrstva-substrát. Multikomponentní vrstva TiAlSiN-β má v oblasti rozhraní titanovou mezivrstvu, která není tak výrazná jako u předchozího systému. V tloušťce vrstvy se několikrát výrazně změní koncentrace titanu, křemíku a hliníku. Citlivost metody GDOES nedovoluje zachytit jednotlivé několik desítek nanometrů tenké vrstvy z nichž se skládá tento multivrstevný systém. Povrch je tvořen pouze nitridem titanu. 3. Mechanické vlastnosti tenkých vrstev Mezi nejdůležitější mechanické vlastnosti, jak již bylo uvedeno, patří mikrotvrdost a adhezivně-kohezivní chování systému tenká vrstva-substrát. V současné době řada pracovišť zabývajících se depozicí tenkých vrstev uvádí vedle těchto hodnot i tribologické vlastnosti zastoupené především hodnotou koeficientu tření. 4

5 3.1. Mikrotvrdost systému tenká vrstva-substrát Mikrotvrdost je jedna ze základních hodnot charakterizující mechanické vlastnosti systému. Její hodnoty jsou cenné v tom, že poskytují informace o elastickém i plastickém chování materiálu v lokálním objemu tj. v objemu tenké vrstvy. Při analýze mikrotvrdosti systému tenká vrstva-substrát se nabízí více hodnot, jež popisují vlastnosti tenkých vrstev. Tyto hodnoty mají různou vypovídací schopnost a z tohoto důvodu je třeba nezaměňovat jejich označení a použití. Na obr.č. 8 je zachycena indentační křivka, z které vyplývají všechny důležité hodnoty. Mezi nejčastěji uváděné hodnoty mikrotvrdosti patří tzv. plastická tvrdost. Tato tvrdost vychází hloubky průniku po odlehčení, tj. po odeznění elastických složek. Tato hodnota se nejvíce blíží k hodnotě klasické tvrdosti. Její vypovídací schopnost plně nevyužívá možností moderních přístrojů pro stanovení mikrotvrdosti popř. nanotvrdosti. Velmi často se udává hodnota mikrotvrdosti zahrnující i hodnoty elastických složek sil. Tato hodnota se pak uvádí jako hodnota HU korigovaná. Stanoví se z hloubky průniku, která je dána tečnou Obr. 8 Indentační křivka elasticko-plastického materiálu [4] k vrcholu křivka S. Někdy se udává také hodnota vyplývající z absolutní hloubky průniku h max. Další velmi důležitou hodnotou je Youngův modul, jehož hodnota zahrnuje informaci o elastickém chování tenké vrstvy. Moderní softwary, kterými jsou tyto přístroje vybaveny, dovolují dále stanovit poměr jednotlivých ploch pod indentačními křivkami. Z těchto ploch lze stanovit elastickou a plastickou energii spotřebovanou při vytvoření vtisku do tenké vrstvy. Cennou informací je rovněž hloubka průniku, která by neměla dosahovat 10-12% tloušťky analyzované vrstvy. Tuto podmínku lze splnit pouze při použití velmi malých zátěžných sil. Při použití malých zátěžných sil (pod 100 mn) při předpokládané mikrotvrdosti systémů se pohybuje hloubka průniku indentoru okolo 300nm. Tato hloubka průniku indentoru zajistí, že hodnota nebude ovlivněna substrátem. Na druhou stranu se při těchto použitých silách zatížení velmi výrazně projeví vliv geometrie povrchu. Přesnost dosažených hodnot je výrazně ovlivněna drsností povrchu. Z tohoto důvodu se doporučuje provádět minimálně 20 měření, přičemž hodnoty a průběhy indentačních křivek, které se neshodují s ostatními je třeba anulovat. Vlastní měření mikrotvrdosti systému tenká vrstva-substrát bylo provedeno pomocí zařízení FISCHERSCOPE H100. Bylo použito zatížení 70 mn, jehož následkem se pohybovala hloubka průniku okolo nm. S ohledem na stanovené tloušťky tenkých vrstev byla splněna podmínka o neovlivnitelnosti hodnoty mikrotvrdosti substrátem. Na všech vzorcích bylo provedeno minimálně 20 měření. V tabulce č. 2 jsou uvedeny naměřené hodnoty. Statistickým zpracováním dat byl stanoven odhad směrodatné odchylky výběrového průměru na hladině významnosti p=0,1 (spolehlivost 90%). V tabulce je uvedena hodnota 5

6 výběrového průměru plastické mikrotvrdosti spolu s její směrodatnou odchylkou a hodnota Youngovo modulu se směrodatnou odchylkou. Tabulka č.2 Hodnoty naměření na mikrotvrdoměru FISCHERSCOPE H100 Druh vrstvy TiN TiN-P TiAlN-P TiAlSiN-α TiAlSiN- β Mikrotvrdost plastická[gpa] 28,2±2,3 29,7±3 28,9±4,3 29,9±3,5 31,7±3 Elastická deformace [%] 48,5 47,6 50,3 66,1 49 Plastická deformace [%] 51,5 52,4 49,7 33,9 51 Youngův modul [GPa] 563±74 441±63 484± ±36 484± Adhezivně-kohezivní chování systému tenká vrstva-substrát Další velmi důležitou charakteristikou popisující systém tenkou vrstvu je adhezivněkohezivní chování. Tato vlastnost se v laboratorních podmínkách nejčastěji analyzuje pomocí vrypové zkoušky tzv. scratch testu. Tato metoda lze úspěšně použít pouze u systémů s max. drsností Ra 0,25 µm[5]. Drsnost analyzovaných vzorků je shodná s drsností reálných nástrojů, proto nelze tuto analýzu použít. Pro analýzu systémů s větší drsností byla v minulosti s úspěchem vyvinuta vnikací metoda. Tato metoda je obdobně jako scratch test založena na vtiskem generovaném pnutí na rozhraní systému tenká vrstva-substrát. Vychází ze zjištění napětí potřebných pro překonání vazeb mezi vrstvou a substrátem, a to při statickém vtlačování indentoru (obdoba měření tvrdosti). V práci [6] je uvedeno hodnocení, které dovoluje kvantifikovat charakter a velikost poškození. Na obr.č. 9 je zachycen vtisk a vrstvy, které bylo jeho následkem Obr. 9 Vtisk Rockwellovým indentorem do susbtrátu K20 s vrstvou TiN-P iniciováno. Hloubka průniku Rockwellova indentoru se při použití zátěžné síly 1470 N a substrátu ze slinutého karbidu pohybuje okolo 45 µm. Následkem vyvozených tlaků se tloušťka vrstvy v místě vrcholu kužele zmenší o 15-20%. Charakter a velikost iniciovaných defektů byl sledován jak pomocí světelné, tak i pomocí řádkovací elektronové mikroskopie. Elektronovým mikroskopem byl zachycen nejen povrch vrstvy, ale i její stav při fraktografickém pozorování v místě vtisku (obr. č. 9). V tabulce č. 3 je vyhodnocení adhezivně-kohezivního vnikací metodou. Tabulka č.3 Hodnocení adhezivně-kohezivního chování systému tenká vrstva-substrát Druh vrstvy TiN TiN-P TiAlN-P TiAlSiN- α TiAlSiN- β Charakteristika defektů Rozsáhlé adhezní Malé adhezněkohezivní Rozsáhlé adhezní Rozsáhlé adhezní Malé kohezivní Hodnocení A6/K1 A2/K2 A6/K3 A6/K1 A2/K4 6

7 3.3. Tribologické vlastnosti tenkých vrstev Proces tření mezi dvěmi povrchy je provázen iniciací opotřebení a energetickými ztrátami[7]. Tribologické zkoušky se zaměřují především na určení koeficientu tření µ a jeho změny v průběhu zkoušky pro kombinaci dvou materiálů, hodnoceného substrátu a tělíska specifických vlastností a rozměrů, a použitého prostředí. Vedle toho součinitele při hodnocení vzorku systému tenká vrstva-substrát, dovolují získat informace o adhezivně-kohezivním chování sledovaného systému a to i za podmínek simulující podmínky řezného procesu. V důsledku tření dvou povrchů (zatěžovaného tělíska se zkoumaným materiálem) dochází ke vzniku stopy opotřebení. Vyhodnocením opotřebené plochy-dráhy a zkoumáním okolí i samotné stopy se získávají důležité informace o procesu opotřebení a tím i o chování systému tenká vrstva-substrát. Metody zjišťování tribologických vlastností lze rozdělit dle druhu vzájemného pohybu zkoumaného materiálu a působícího tělíska, způsobu styku a geometrického tvaru tělíska. Jednou z velmi často aplikovaných metod zjišťování tribologických vlastností je analýza Pin-on-Disc[8]. Tato metoda byla použita při sledování vlastností analyzovaných vrstev. V tabulce č. 4 jsou uvedeny koeficienty tření a počet cyklů během nichž došlo k odhalení povrchu substrátu při následujících parametrech: zatížení 10N; poloměr 7 mm, rychlost: 10,00cm/s; materiál kuličky: Al 2 O 3. Tabulka č.3 Hodnocení adhezivně-kohezivního chování systému tenká vrstva-substrát Druh vrstvy TiN TiN-P TiAlN-P TiAlSiN- α TiAlSiN- β Koeficient tření 0,68 0,7 0,55 0,55 0,7 Počet cyklů Diskuse výsledků Na hodnotách mikrotvrdosti a především směrodatné odchylce výběrového průměru se výrazně projevil vliv nerovností povrchu. S ohledem na hloubku průniku by neměly být naměřené hodnoty ovlivněny substrátem. Všechny sledované vrstvy dosahovaly velmi blízkých hodnot plastické mikrotvrdosti. Z dalších sledovaných vlastností stanovených z indentačních křivek se výrazně liší vrstva TiAlSiN-α, která dosahuje 66% hodnoty elastické práce, zatímco ostatní vrstvy se pohybují okolo 50%. S touto hodnotou souvisí i hodnota Youngova modulu. Z výsledků adhezivně-kohezivního chování analyzovaného vnikací metodou vyplývá, že u vrstev TiN; TiAlN-P; TiAlSiN-α bylo iniciováno rozsáhlé. U vrstvy TiAlSiN-α byla na povrchu substrátu zachycena slabá, zřejmě titanová vrstva. Přesto byl tento defekt rovněž klasifikován jako adhezní. Vrstvy TiN-P; TiAlSiN-β vykazovaly nepatrné převážně kohezního charakteru. Z analýzy tribologických vlastností vyplývá, že vrstvy, u kterých byl na povrchu nitrid titanu, dosahovaly vyšších hodnot koeficientu tření, než vrstvy s určitým obsahem hliníku v povrchové vrstvě. Tato situace je plně v rozporu s očekáváním, neboť na povrchu vrstev se aplikuje nitrid titanu pro zlepšení tribologických vlastností. Porušení iniciované touto analýzou odpovídá výsledkům z adhezivně-kohezivního chování, kdy vrstvy TiN-P; TiAlSiN-β dosahovaly velmi výborných výsledků. V další kapitole budou uvedeny výsledky z prozatím provedených a vyhodnocených technologických zkoušek, kde se očekává, že by se měly projevit laboratorně sledované vlastnosti systémů tenká vrstva-substrát. 7

8 4. Technologické zkoušky trvanlivosti ostří Při procesu obrábění dochází vlivem jednotlivých mechanismů otěru na plochách nástroje a průvodní tepelnou a chemickou degradací k opotřebování břitu nástroje[9]. Z těchto důvodů nachází technologická zkouška trvanlivosti nástroje široké uplatnění v oblasti experimentu, zachycujícího komplexní vliv systému tenká vrstva-substrát v procesu obrábění a odolnosti proti opotřebení. Experiment byl proveden za následujících řezných podmínek: obráběný materiál:15241 tepelně zpracován na Rm=1150 MPa; rozsah řezných rychlostí: v= 50, 60, 70, 80 m.min -1 ; hloubka řezu:h= 1,5 mm; posuv: s= 0,1 mm.ot -1 ; bez chlazení. Technologické vyhodnocení trvanlivosti ostří bylo provedeno dlouhodobou zkouškou řezivosti, kdy byl sledován stav nástroje a jako limitní byl dán stav opotřebení břitu VB lim =0,3 mm. Z dosažených výsledků byl, dle očekávání, jednoznačně nejlépe ohodnocen nástroj opatřený tenkou vrstvou TiAlSiN- β. Nástroj s touto vrstvou dosahoval oproti nástroji bez vrstvy výrazně lepších vlastností. Tato trvanlivost v průřezu všech sledovaných řezných rychlostí několikrát přesahuje trvanlivost ostatních analyzovaných nástrojů. Vrstva TiAlSiN- α, přestože nedosahovala výrazných mechanických vlastností v laboratorních analýzách, měla velmi dobré výsledky trvanlivosti. Naproti tomu vrstva TiN-P, která se jevila na základě laboratorních testů jako vynikající, dosahovala poněkud horší trvanlivosti. V testu se nejhůře projevila vrstva TiAlN-P. Přesto nástroj opatřený touto vrstvou několikanásobně převyšoval trvanlivost nástroje bez vrstvy. 5. Závěr Z dosažených výsledků analýz a technologické zkoušky řezivosti vyplývá, jak je složitá korelace mezi naměřenými laboratorními hodnotami a vlastním chování systému tenká vrstva-substrát v technologickém procesu. Přesto je patrná určitá souvislost, která se však nevztahuje pouze na hodnoty mikrotvrdosti a koeficient tření, jak se výrobci tenkých vrstev často milně domnívají. Tento příspěvek vznikl na základě řešení postdoktorandského grantu 106/00/D090. LITERATURA [1] JÍLEK, M., HOLUBÁŘ, P.: Zkušenosti s použitím PVD vrstev na nástrojích ze slinutých karbidů. Seminář technologů a výrobců nářadí II. Brno, [2] RICKERBY, D.S.aj: Surf. Coat. Technol.,1989,č. 37, s [3] HOLMBERG K., MATTEWS A.: Coatings Tribology; Properties, Techniques and Applications in Surface Engeneering, 1994, s [4] PHARR, G.M. aj.: J.Mater.Res. 7, 1992, s.613. [5] STEINMANN, P.A. - TARDY, Y. - HINTERMANN, H.E.: Thin Solid Films. 154, 1987, s [6] ILIUC I.: Tribology of Thin Layers, 1980, s [7] KŘÍŽ, A.: Disertační práce. ZČU-Plzeň, 1998, s.155. [8] APPLICATIONS BULLETIN, Hard coating characterisation with the CSEM, CSEM Instruments; [9] KNOTEK, O. aj..: Abrasive Wear Resistance and Performance of Complex PVD. Surface and Technol., 1994, s