SYSTÉM TENKÁ VRSTVA SUBSTRÁT V APLIKACI NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH

Transkript

1 Západočeská univerzita v Plzni SYSTÉM TENKÁ VRSTVA SUBSTRÁT V APLIKACI NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH Antonín Kříž Univerzitní 22, Plzeň, kriz@kmm.zcu.cz Tento příspěvek vznikl na základě řešení postdoktorandského grantu 106/03/P092.

2 2/30 Kde začala průmyslová aplikace 1967 CVD vrstva TiC na řezné destičce ze slinutého karbidu

3 3/30 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.

4 4/30 Systém tenká vrstva-substrát Otěruvzdorná vrstva Odolnost proti opotřebení Redukce tření Korozní odolnost Difúzní bariéra Tepelná bariéra Mezivrstva Adheze Bariéra rozvoje trhlin Kompenzace diletace a pnutí Modifikace struktury a morfologie Stabilizace růstu vrstvy Substrát Geometrie Pevnost Tuhost

5 Vše začíná již od substrátu Správná volba substrátu ostatní - kombinace 50% Povrch substrátu + geometrie řezné materiály 19% geometrie řezných nástrojů 1% tenké vrstvy 30% Velmi málo pozornosti se věnuje geometrii 5/30

6 6/30 Depozice CVD: TiN, TiCN, Al 2 O 3,.. DLC PVD: TiN, TiCN, TiAlN,AlTiN, TiAlSiN, TiB 2, CrN, WC/C, MoS 2, DLC,... komplexní systémy Systémy: Monovrstva Monovrstva s adhezní vrstvičkou Gradientní vrstva Nanostrukturovaná vrstva Nanokompozitní vrstva KOVOVÁ VAZBA TiC TiN WC KOVALENTNÍ VAZBA TiB 2 SiC C Si 3 N 4 Al2 O3 AlN ZrO 2 HETERO- POLÁRNÍ (IONTOVÁ) VAZBA

7 7/30 Základní depoziční procesy 1050 C 950 C Chemical Vapor Deposition CVD 750 C Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition PACVD 10µm CVD 500 C 300 C Physical Vapor Deposition PVD 10µm PVD

8 8/30 Depoziční procesy Vlastnosti vrstvy 1050 C 950 C CVD Adheze Teplotní stabilita 750 C PACVD 500 C PVD 300 C Pnutí

9 9/30 Publikace CVD PVD Časový průběh výzkumných prací zabývající se CVD/PVD technologií Klíčová slova: CVD / PVD, coatings, wear, tool, tribology Zdroj: COMPENDEX, METADEX, CHEM. ABSTRACTS

10 10/30 CVD Chemical Vapor Deposition

11 Magnetronové naprašování PVD depozice N 2 C 2 H 2 etc. Ar Werkstücke Plasma Substrat- Stromversorgung Schichtdicken Messgerät (Schwingquarz) DC Stromversorgung Gasflussmessung und Regelung Magnetron Kathode Magnet Turbomolekular Pumpstation 10µm A1/57/4 Obloukové odpařování katody 11/30

12 12/30 Běžná struktura vrstvy [1] Monovrstva

13 13/30 Běžná struktura vrstvy [1] Monovrstva Monovrstva s adhezní vrstvičkou

14 14/30 Moderní struktura vrstvy [1] Monovrstva Monovrstva s adhezní vrstvičkou Gradientní vrstva

15 15/30 Moderní struktura vrstvy [1] Monovrstva Monovrstva s adhezní vrstvičkou Gradientní vrstva

16 16/30 Moderní struktura vrstvy - Nanostrukturované vrstvy [1] 100 nm Nanovrstevná struktura

17 Supermřížka nanovrstvy [1] Nárůst tvrdosti pomocí řízené periody vrstev - příklad 50 nanotvrdost; [GPa] TiN-CrN AlN TiN-CrN nm 10 17/ Zdroj: Nortwestern University, IL, USA perioda nanovrstev [nm]

18 18/30 Moderní struktura vrstvy [1]: - Nanostrukturované - Nanokompozitní 100 nm Nanovrstevná struktura Nanokompozitní struktura

19 Nanokompozitní struktura; nc- (Ti 1-x Al x )/a-si 3 N 4 [1] Model TEM obrázek monovrstvy nc-kompozitu Source: S. Veprek, TU München Zdroj: S. Veprek, TU Munich 19/30 Měřeno v EPF, Lausanne

20 Zvýšení mikrotvrdosti aplikací progresivních tenkých vrstev TiAlSiN 20/30

21 21/30 naco nanokompozit založený na Ti. nc-altin / a-si 3 N 4 nacro.. Nanokompozit založený na Cr nc-alcrn / a-si 3 N 4 The Camel-Curve : Nanocomposite Structure Eliminates Disadvantages of Conventional Coating nacro : Nanocomposite: (nc-alcrn)/(a- Si 3N 4 ) AlCrN

22 22/30 Vliv množství hliníku na vznik hexagonální strukturní mřížky Base CrN VN TiN WN NbN ZrN HfN max. AlNc 77,2 72,4 65,3 53,9 52,9 33,4 21,2 Ref.: ISIJ International 38, (1998) Hardness 0.07 [GPa] 40 T 25[ C] AlCrSiN AlTiSiN Al [at%]

23 23/30 Odolnost proti oxidaci u vrstev s obsahem Al 900 C in air, 60 min A - TiAlN B - AlTiN D AlTiN 60%Al AlTiN/Si3N4

24 24/30 CVD depozice vrstvy TiN+ Al 2 O 3 +TiN Substrát ultrajemný SK TiN DS* -Al 2 O 3 Ti(C,N,O) TiN Sandvik GC 3205

25 Teplotní přetížení nástroje nejčastější příčina poškození Vrstvy jako např. Al 2 O 3 popř. AlTiN vytváří tepelné bariéry Lavinovitý otěr nástroje následkem tepelného i mechanického přetížení 25/30 Rozdělení odváděného tepla v závislosti na řezné rychlosti při obrábění oceli

26 Další trendy depozic Depozice řezné keramiky CVD depozice vrstvy Ti(C,N)+ Al 2 O 3 +TiN Substrát neoxidická keramika Si 3 N 4 26/30 Lom systému a hloubkový koncentrační profil pomocí analýzy GD-OES na povrchu je nepatrná vrstva TiCN, následuje šedivá Al 2 O 3 a TiN na rozhraní

27 Frikční vrstvy Ternární fázový diagram vazeb u a C:H. Srovnání - "PIN - on - DISC" ball Al2O3 Srovnání MoS2 AlTiN Vrstva na bázi uhlíku 1,1 koef. tření kulička Al 2 O 3 1,0 0,9 0,8 0,7 AlTiN koef. tření 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 MoS 2 Vrstva na bázi uhlíku 0,1 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 Dráha v km Krystalografická mřížka MoS 2 27/30

28 V minulosti byla hlavní pozornost věnována ekonomice obrábění Hodnoty trvanlivosti T při limitním opotřebení VB=0,3 mm 250 SK (v=38,52,63,80 m/min) Trvanlivost T (min) Ra 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) Řezná rychlost v (m/min) Ekonomická stránka je samozřejmostí, hlavní trend vývoje bude sledovat kvalitu, ekologický dopad a snadnou obnovitelnost nástrojů. 28/30

29 29/30 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)

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: 30/30