3.3 Výroba VBD a druhy povlaků

Transkript

1 3.3 Výroba VBD a druhy povlaků Výroba výměnných břitových destiček Slinuté karbidy Slinuté karbidy jsou materiály vytvořené pomocí práškové metalurgie. Skládají se z tvrdých částic: karbidu wolframu WC, karbidu titanu TiC, karbidu tantalu TaC a měkčího pojiva: kobalt, popř. nikl, molybden. Slinuté karbidy se používají tam, kde nelze slitinu jiným způsobem vytvořit: rozdílná teplota tání, vzájemná neslévatelnost, atd.. Používají se na řezné a tvářecí nástroje a všude tam, kde se vyžaduje vysoká tvrdost, odolnost proti otěru při teplotách do 900 C. Výroba slinutých karbidů se skládá: 1. Výroba prášků Základní surovinou slinutých karbidů jsou prášky kovů, jejich sloučenin a někdy i nekovů. Jakost hotových výrobků závisí na fyzikálních a chemických vlastnostech prášků, na chemickém složení, čistotě, velikosti a tvaru částic. Prášky lze získat téměř ze všech kovů a jejich sloučenin, a to dvěma základními způsoby: Mechanicky: drcením v kulových a vířivých mlýnech nebo rozprašováním tekutého kovu. Fyzikálně-chemicky: redukcí oxidů, štěpením karbonylů, elektrolytickým vylučováním a chemickým slučováním s nekovy (např. WC, TiC, TaC apod.). 2. Lisování polotovarů Lisováním se upravují kovové prášky a jejich směsi do tvaru výrobků. Při lisování se vlastnosti prášků mění: zmenšuje se pórovitost, dochází k plastické deformaci částic a zvětšuje se styková plocha mezi zrny. Lisovací tlaky jsou 200 až 690 MPa. Podmínky lisování jsou ovlivněny lisovacím tlakem, způsobem lisování (lisování za studena, za tepla, izostatické, protlačování, vibrační lisování apod.), velikostí a tvarem výlisku a přísadami pro usnadnění lisování. Lisováním se vytvoří lepší kontakt mezi částicemi prášku, což umožňuje při zvýšené teplotě dokonalou difúzi v celém průřezu polotovaru i uplatnění dalších pochodů. Pevnost výlisku stoupá přibližně úměrně s lisovacím tlakem. 3. Slinování Slinováním se dosahuje požadovaných mechanických a fyzikálních vlastností, pevnosti, tažnosti, tvrdosti a elektrické vodivosti. Teplota slinování je nižší než teplota tavení daného kovu. Slinuje-li se směs prášků různých kovů, může se nízko tavící fáze natavit. Množství roztavené fáze bývá zpravidla malé, takže tvar výrobku zůstává zachován, ale jeho rozměr se zmenšuje. Smrštění délkových rozměrů činí 17 až 25 % za předpokladu, že pórovitost je nulová. Ta ale i při nejmodernějších metodách zpracování činí 1 až 2 %. Podmínky slinování ovlivňuje teplota, čas, prostředí (ochranný plyn, vakuum) a druh slinování (přímé, nepřímé apod.). Teplota slinování bývá většinou 0,8 násobek teploty tavení. U některých prášků je 1050 až 1150 C, u mědi 800 až 850 C. Kovy, u kterých zrna při ohřevu na vyšší teploty nerostou, mají teplotu slinování blízkou teplotě tání. Doba slinování bývá 2 až 3 hodiny. 1

2 4. Konečná úprava: broušení, povlakování Břitové destičky svojí konečnou podobu získají: Přímo vylisováním-vbd jsou tak přesně vylisovány, že u nich byly vytvořeny tvary utvářečů a fasetek. Broušením-VBD svojí konečnou podobu získají broušením. V dnešní době jsou na VBD kladeny vysoké požadavky na přesnost konečná úprava leštěním a odolnost proti opotřebení povlakování viz. níže. Podle velikosti zrna rozdělujeme karbidy na dva základní druhy: 1. Hrubozrnné karbidy: základní prášek je tvořen hrubozrnnými částice. Podíl pojiva je větší než u jemnozrnného karbidu, který ovlivňuje mechanické a chemické vlastnosti karbidu. Vhodný pro hrubování, větší průřezy třísky, houževnatý. 2. Jemnozrnné karbidy: základní prášek je tvořen jemnozrnnými částice. Podíl pojiva je menší než u hrubozrnného karbidu, který ovlivňuje mechanické a chemické vlastnosti karbidu. Vhodný pro dokončování, menší průřezy třísky, má vysokou odolnost proti opotřebení. Cermety: Cermet je společný název pro všechny tvrdé kovokeramické materiály, u nichž jsou tvrdé složky tvořeny karbidem titanu (TiC), karbonitridem titanu (TiCN) nebo nitridem titanu (TiN), jakož i karbidem wolframu (WC). CERamic-METal-keramická část s kovovým pojivem. Vlastnosti cermetů: - vysoká odolnost proti opotřebení hřbetu a opotřebení ve tvaru žlábku na čele. - vysoká chemická stabilita a tvrdost za tepla. - malý sklon k vytváření nárůstku. - malý sklon k oxidačnímu opotřebení. SiN-řezná keramika Keramické řezné materiály jsou tvrdé, mají vysokou tvrdost za tepla a nereagují chemicky s materiálem obrobku. Zaručují dlouho trvanlivost břitu a mohou být použity při vysokých řezných rychlostech. 2

3 Existují dva základní typy keramiky: na bázi oxidu hlinitého-al 2 O 3 na bázi nitridu křemíku (Si 3 N 4 ) CBN-kubický nitrid bóru CBN se vyrábí při vysokých teplotách a tlacích, jejichž působením se dosáhne spojení kubických krystalů bóru s keramickým nebo kovovým pojivem. Neuspořádané částice tvoří velmi hustou polykrystalickou strukturu. Krystal CBN je velmi podobný krystalu syntetického diamantu. Vlastnosti řezného materiálu CBN můžeme obměňovat změnou velikosti krystalu, obsahem a druhem pojiva. Kubický nitrid bóru je zvlášť tvrdý řezný materiál, jeho tvrdost překonává jen diamant. CBN vykazuje mimořádní tvrdost, vysokou tvrdost za tepla i při extrémních teplotách (2000C), velkou odolnost proti abrazivnímu opotřebení a při obrábění má vždy dobrou chemickou stabilitu. Vhodný na obrábění ocelových výkovků, kalené oceli a litiny, slinované materiály na bázi kobaltu a železa a žáruvzdorné slitiny. PKD-polykrystalický diamant Malé břity jsou pevně uchyceny na vyměnitelné břitové destičce ze slinutého karbidu, která jim zaručuje pevnost a odolnost proti tepelným a rázovým šokům. Trvanlivost je mnohonásobně vyšší, než u slinutých karbidů. S ohledem na vysokou křehkost vyžaduje používání stabilní řezné podmínky, tuhé nástroje a stroje. Princip výroby povlakovaných slinutých karbidů Povlakované slinuté karbidy jsou vyráběny tak, že na podkladový materiál (původně běžný SK typu K, P nebo M, dnes speciální SK) se nanáší tenká vrstva materiálu s vysokou tvrdostí a vynikající odolností proti opotřebení. Povlak ve formě tenké vrstvy má vyšší tvrdost i pevnost než stejný homogenní materiál v jakékoli jiné formě. Tyto výhodné vlastnosti vyplývají zejména z toho, že povlakový materiál neobsahuje žádné pojivo, má o jeden i více řádů jemnější zrnitost a méně strukturních defektů (póry, dutiny) a tvoří bariéru proti difuznímu opotřebení nástroje. Čtyři vývojové stupně povlakovaných slinutých karbidů: 1. generace: jednovrstvý povlak (téměř výhradně TiC) s tloušťkou až 7 µm. 2. generace: jednovrstvý povlak (TiC, TiCN, TiN) s tloušťkou až 13 µm. 3. generace: vícevrstvý povlak (dvě až tři, případně i více vrstev) s ostře ohraničenými přechody mezi jednotlivými vrstvami. Nejčastěji bývají jednotlivé vrstvy řazeny v tomto pořadí od podkladu k povrchu: TiC-Al 2 O 3, TiC-TiN, TiC-TiCN-TiN, TiC-Al 2 O 3 -TiN, TiCN-Al 2 O 3 -TiN. 4. generace: speciální vícevrstvý povlak-velmi často i více než 10 vrstev a mezivrstev, s méně či více výraznými přechody mezi jednotlivými vrstvami. Požívají se stejné materiály povlaků jako u 3. generace. 3

4 3.3.2 Metody povlakování Podle principu povlakování se, dělí metody do tří základních skupin: PVD, CVD a PACVD. PVD (Physical Vapor Depostition) iontové plátování Jde především o tzv. iontové plátování, dovolující efektivně nanášet povlaky rozmanitého složení, vynikajících mechanickým vlastností a atraktivního vzhledu i na tepelně zušlechtěné materiály, nebo dokonce i na plasty. Při iontovém plátování (ion plating) roste nanášená vrstva kondenzací z plynného skupenství za velmi nízkého tlaku (typicky 0,01-10 Pa). Látka určená k nanášení se do plynného skupenství přivádí fyzikálním procesem (odpařování či rozprašování) přímo ve vakuové komoře v průběhu povlakování (rozprašování je uvolnění atomu z povrchu látky následkem dopadu urychleného iontu). U iontového plátování dopadají ionty z plazmatu i na povlakovaný předmět. Jejich energie je určena elektrickým napětím U b přiváděným na povlakovaný předmět. To umožňuje připravit povrch před depozicí vrstvy (iontové čištění, U b typicky -1000V) a odstraňovat hůře vázané atomy z rostoucí vrstvy jejich odprášením (U b v). Dopad iontů během nanášení výrazně ovlivňuje vlastnosti výsledné vrstvy (například tvrdost, vnitřní pnutí, adhezi k substrátu) a rovněž dovoluje vznik sloučenin při teplotě podstatně nižší, než odpovídá rovnovážné chemické reakci. Tak například naprašováním Ti v prostředí s obsahem N 2 (O 2,CH 4 ) lze nanášet vrstvu TiN (TiO 2, TiC) již při teplotách C. Podle způsobu uvolňování atomů nanášené látky do plynného skupenství můžeme odlišit tři významné skupiny metod iontového plátování. Jsou to napařování s přídavnou ionizací, obloukové napařování a magnetronové naprašování. Metodou PVD vzniká ostřejší břit než metodou CVD. Technické specifikace: energie: plazma, bias teplota: 250 až 550C tloušťka vrstvy 2-8 µm pnutí: kompresivní 0 až-8 GPa magnetron, oblouk, napařování TiN, TiAlN + Me, TiCN, CrN, AlCrN + Me, C:H frézování, přerušované řezy CVD (Chemical Vapor Deposition) povlakování Při povlakování metodou CVD-je povlakovaný předmět ohřát ve směsi plynů, (např. H 2, CO 4, A r, H 2, atd..), které na jeho povrchu reagují, a tím vytvářejí pevnou vrstvu požadované látky (např.al 2 O 3, TiC, TiCN při 1100 C). Základní nevýhodou je udržování předmětu na teplotě nutné pro rovnovážnou chemickou reakci, při které vzniká povlakovaná vrstva. Prakticky významná modifikace této metody je plazmová polymerace, umožňující z plynných uhlovodíků nanášet polymerní vrstvy velmi zajímavých vlastností, např.bariérové vrstvy odolné proti difúzi nebo tvrdé otěruvzdorné vrstvy. Technické specifikace: energie: teplotní teplota: 800 až 1100C pnutí: tenzilní 0 až +2 GPa tloušťka vrstvy 8-16 µm TiN, TiCN, Al 2 O 3 frézování, nepřerušovaný řez 4

5 PACVD (Plasma Assisted-CVD) povlakování Metoda PACVD je povlakování nástrojů při mnohem nižších teplotách než u konvenčních CVD technik. Plazmou aktivovaný CVD proces umožňuje snížit teplotu potřebnou pro vznik vrstvy na povrchu substrátu na C. Nástroje jsou povlakovány až po konečném zušlechtění na požadovanou tvrdost a v průběhu povlakování nedochází k rozměrovým změnám. Touto metodou lze povlakovat i dutiny. PACVD povlaky se vyznačují extrémně nízkým koeficientem tření-až 0,1. Výhody metody PACVD několikanásobné zvýšení životnosti; nízký koeficient tření; výborné tribologické vlastnosti; snížené opotřebení; žádné změny v mikrostruktuře a rozměrech; možnost povlakování dutin; snížení spotřeby mazadel a separátorů; zvýšení odolnosti proti tepelné únavě; snížení přilnavosti hliníků, mědi a jiných barevných kovů na povrch nástroje. Technologie PACVD Zařízení na povlakování metodou PACVD umožňuje jak samotné povlakování, tak i nitridaci a iontové čištění povrchů. Po ustálení na procesní teplotě probíhají následující operace: 1. Iontové čištění povrchu-kladně nabité ionty procesního plynu dopadají na povrch substrátu, kde jsou zakotveny atomy nečistot. Předáním vysoké kinetické energie iontů (cca 10 ev) dojde k vyražení nečistot z povrchu materiálu. 2. Plazmová nitridace povrchu-provádí se pro zlepšení adheze povlaku a základního materiálu. V případě speciálních aplikací je možné realizovat hlubokou nitridaci dle požadavku zákazníka (tzv. duplex). 3. Nanesení povlaku-v plazmě vznikají kladně nabité molekuly (Ti+, N+ atd.), které se vyloučí na záporně nabitém polotovaru. Cíleným řízením procesu vzniknou vrstvy v požadovaném složení a se žádoucími vlastnostmi. PACVD i CVD vrstvy splňují vysoké požadavky na kvalitu, zejména otěruvzdornost, životnost, tvrdost atd. Volba optimální vrstvy je určena zpracovávaným materiálem a pracovními podmínkami nástroje. PACVD vrstvy je zejména možné použít při aplikacích, kde nelze použít technologii CVD z důvodu vysoké teploty povlakování. CVD povlakování se provádí při cca PACVD i CVD vrstvy splňují vysoké požadavky na kvalitu, zejména otěruvzdornost, životnost, tvrdost atd. Vrstvy CVD jsou nanášeny zpravidla na slinuté karbidy, rychlořezné oceli a vybrané nástrojové oceli. Vzhledem k tomu, že zušlechťování na požadovanou tvrdost u CVD povlaků probíhá až po povlakování, je možné CVD povlaky aplikovat na nástroje s většími tolerancemi (± 0,02 mm). PACVD povlaky nacházejí přednostní uplatnění zejména při povlakování vysoce přesných a tvarově složitých zušlechtěných ocelových nástrojů. 5

6 Technické specifikace: teplota: ~ 500C koeficient tření 0,1 Tloušťka vrstvy-podle druhu povlaku od 2-16 µm TiCN+TiN, TiBN+TiB 2, Al 2 O 3. frézování, nepřerušovaný řez, formy, kalibry, atd. Porovnání základních technologických parametrů povlakovacích metod Technologie povlakovaní Teplota Tlak Rotace Drsnost povrchu CVD (Chemical Vapor Deposition C atmosférický Ne Největší PVD (Physical Vapor Depostition C ~ 1 Pa Ano Střední PACVD (Plasma Assisted-CVD) ~ 500 C ~ 200 Pa Ne Nejnižší Srovnání řezných materiálů: Řezná rychlost & rychlost posuvu. 6