Nové trendy vývoje tenkých vrstev vytvořených PVD a CVD technologií v aplikaci na řezné nástroje Antonín Kříž TATO PŘEDNÁŠKA JE SPOLUFINANCOVÁNA EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.
2/44
Co je to tenká vrstva? Srovnání tloušťek lidského vlasu a vrstvy deponované CVD technologií (u PVD vrstev je tloušťka 1-5µm) 3/44
Systém tenká vrstva-substrát Vrstva Rozhraní 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. 4/44
Pro zajištění požadovaných vlastností je nutné věnovat pozornost všem složkám tvořící daný systém Otěruvzdorná vrstva Odolnost proti opotřebení Redukce tření Korozní odolnost Difúzní bariéra Tepelná bariéra Substrát Pevnost Tuhost Geometrie 5/44 Mezivrstva Adheze Bariéra rozvoje trhlin Kompenzace diletace a pnutí Modifikace struktury a morfologie
Katalogové vlastnosti vrstev firmy LISS Platit a.s. Povlak 6/44 Mikrotvrdost Součinitel tření Maximální prac. teplota Barva Materiál Struktura TiN 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
Rozšíření použitelnosti řezného nástroje Vrstvy firmy LISS Platit a.s. Zdroj: Ceme Con, Kunden Magazin fur Beschichtungstechnologie, Science, Nr. 10, Januar 2004 Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde Důležité vlastnosti řezného nástroje tvrdost nízký koeficient tření tepelná bariéra 7/44
Základní depoziční technologie CVD: TiN, TiCN, Al2O3,.. DLC PVD: TiN, TiCN, TiAlN,AlTiN, TiAlSiN, TiB2, CrN, CrAlSiN, WC/C, MoS2, PLC,... 100 Vrstvy aplikované na nástrojích z RO Ostatní vrstvy 90 80 Podíl [%] 70 60 TiCN TiAlN 50 40 30 TiN 20 10 0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Rok 8/44 Zdroj: Cselle Tibor, přednáška Quo Vadis Coating, Vrstvy a Povlaky 2004
Množství druhů tenkých vrstev v aplikaci na řezné nástroje T. Cselle, M. Morstein. A. Luemkemann, PLATIT AG, Selzach, Schweiz 9/44
Základní depoziční procesy 1050 C 950 C Chemical Vapor Deposition CVD 750 C 10µm CVD 10µm PVD Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition PACVD 500 C Physical Vapor Deposition PVD 300 C 10/44
Depoziční procesy Vlastnosti vrstvy Adheze 1050 C 950 C Teplotní stabilita CVD 750 C PACVD 500 C PVD 300 C 11/44 Pnutí
Odborná literatura věnuje oběma technologiím stejnou pozornost 5000 Publikace 4000 3000 CVD PVD 2000 1000 0 1950-1980 1980-1990 1990-2001 2000-2010 Časový průběh výzkumných prací zabývající se CVD/PVD technologií Klíčová slova: CVD / PVD, coatings, wear, tool, tribology Období 2000-2010 je předpokládaný stav Zdroj: COMPENDEX, METADEX, CHEM. ABSTRACTS 12/44
CVD Chemical Vapor Deposition Lom vrstvy od firmy Ceratizit Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde 13/44 Depoziční zařízení ve firmě Ceratizit
PVD depozice Magnetronové naprašování SubstratStromversorgung N2 Werkstücke C2H2 etc. Plasma Ar Schichtdicken Messgerät (Schwingquarz) DC Stromversorgung Gasflussmessung und Regelung 10µm Magnetron Kathode Magnet A1/57/4 Turbomolekular Pumpstation Obloukové odpařování katody Makročástice 5 µm 14/44
Vývoj progresivních depozičních zařízení Původní zařízení firmy SHM pracovalo pouze s centrální dutou katodou Schéma depozičního zařízení s dutými katodami 15/44
Vývoj progresivních depozičních PVD procesů u firmy PIVOT obloukové odpařování katody PLATIT - π80 LARC : LAteral Rotating ARC-Cathodes CERC : CEntral Rotating ARC-Cathodes 16/44
Typy vrstev: akte ha r ho c by ové z iont ní va nota valent ko Druhy vazeb Ho d Monovrstva Monovrstva s adhezní vrstvičkou Gradientní vrstva Sendvičově řešená vrstva Nanostrukturovaná vrstva Nanokompozitní vrstva KOVALENTNÍ VAZBA C AlN ru SiC Ho Si3N4 Tenké vrstvy velmi často neodpovídají nejen vlastnostmi, ale i svými vazbami objemovým TiC TiB2 Al2O3 materiálům. Následkem nerovnovážných TiN ZrO2 WC depozičních procesů vznikají tyto HETEROmetastabilní fáze. POLÁRNÍ KOVOVÁ Příkladem je TiN, která má dle řady (IONTOVÁ) VAZBA VAZBA autorů, i jistý stupeň kovové vazby, přičemž objemový materiál se vyznačuje Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde vysokým stupněm iontové vazby. dno har oc tníh zby l en ova é va ta k iontov er akt u 17/44
Aplikovatelnost jednotlivých druhů tenkých vrstev Výkon Speciální vrstva 1 Speciální vrstva 2 Univerzální vrstva Oblast použití 18/44 T. Cselle, M. Morstein. A. Luemkemann, PLATIT AG, Selzach, Schweiz
Klasická struktura vrstvy Rok: 1968 Jedna vrstva Monovrstva Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde 19/44
Klasická struktura vrstvy 70. léta Monovrstva s adhezní vrstvičkou Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde 20/44
Moderní struktura vrstvy 80. léta 21/44 Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde Gradientní vrstva
Moderní struktura vrstvy Monovrstva 22/44 Monovrstva s adhezní vrstvičkou 80. léta Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde Gradientní vrstva
Moderní struktura vrstvy Sendvičově řešená vrstva Skladba vrstvy Část výbrusu kaloty 23/44 Zdroj: Dokumentující obrázky, popisující schématicky skladbu vrstvy byly získány z katalogu firmy SHM.
Moderní struktura vrstvy - Nanostrukturované vrstvy Nanovrstevná struktura Substrát 100 nm Zdroj: Pavel Holubář, Nová průmyslová technologie povlakování Přednáška Vrstvy a Povlaky 2003 24/44 Schématický postup šíření trhliny multivrstevným systémem
Supermřížka nanovrstvy Příklad nárůstu tvrdosti pomocí řízené periody vrstev 50 nanotvrdost; [GPa] 40 TiN-CrN AlN 30 TiN-CrN 20 7 nm 10 0 25/44 1 Zdroj: Nortwestern University, IL, USA 10 100 perioda nanovrstev [nm] 1000
Nanokompozitní struktura; nc- (Ti1-x Alx)/aSi3N4 Model TEM obrázek monovrstvy nc-kompozitu Source: S. Veprek, TU München Zdroj: S. Veprek, TU Mnichov Nanorozměrové krystaly AlTiN jsou vsazeny do matrice Si3N4 26/44 Zdroj: S. Veprek, TU Mnichov Měřeno v EPF, Lausanne
Tvrdost [GPa] Tvrdost Zdroj: Cselle Tibor, přednáška Quo Vadis Coating, Vrstvy a Povlaky 2004 Nedeponované TiN SK TiAlN AlTiN TiAlSiN Zvýšení mikrotvrdosti aplikací progresivních tenkých vrstev TiAlSiN 27/44
naco nanokompozit založený na bázi Ti. nc-altin / a-si3n4 Největší novinka roku 2005 v oblasti průmyslové aplikace tenkých vrstev na řezných The Camel-Curve : Nanocomposite Structure Eliminates nástrojích je Disadvantages of Conventional Coating nacro : Nanocomposite: (nc-alcrn)/(a- Si 3N4) nacro.. nanokompozit založený na bázi Cr nc-alcrn / a-si3n4 AlCrN 28/44 Zdroj: Cselle Tibor, přednáška Quo Vadis Coating, Vrstvy a Povlaky 2004
TripelCoatings : naco3 TiN: Adhezní vrstva - Měkký přechod, - Podobný E-Modul - Mezivrstva AlTiN: - multivrstva Dobrá odplnost proti opotřebení Malé vnitřní napětí Dobrá tvrdost naco: - Vrchní vrstva - Velmi dobrá tepelná bariéra - Vysoká tvrdost - Vysoká odolnost proti T. Cselle, M. Morstein. A. Luemkemann, abrasivnímu opotřebení PLATIT AG, Selzach, Schweiz 29/44
Porovnání vlivu vrstev TripelCoatings : naco3 ; PVD TiAlN; CVD Aluminiumoxid T. Cselle, M. Morstein. A. Luemkemann, PLATIT AG, Selzach, Schweiz 30/44
TripleCoatings : nacro3 31/44 T. Cselle, M. Morstein. A. Luemkemann, PLATIT AG, Selzach, Schweiz
AlXN3 -firemní (LISS Platit): TripleCoatings : AlTiCrN3 32/44 T. Cselle, M. Morstein. A. Luemkemann, PLATIT AG, Selzach, Schweiz
SiX3 - firemní (LISS Platit): TripleCoatings : nacox3 33/44 T. Cselle, M. Morstein. A. Luemkemann, PLATIT AG, Selzach, Schweiz
SiX3 - firemní (LISS Platit): TripleCoatings : nacox3 Obsah dusíku : kyslíku N/O: 50/50% 80/20% Tloušťka vrstvy pro VBD: 7-18 μm Obvyklá tvrdost: 30 GPa Běžný E-Modul: ~ 400 GPa T. Cselle, M. Morstein. A. Luemkemann, PLATIT AG, Selzach, Schweiz 34/44
Vliv množství hliníku na vznik hexagonální strukturní mřížky B ase m a x. A ln c C rn 7 7,2 VN 7 2,4 T in 6 5,3 W N 5 3,9 N bn 5 2,9 Množství (atomární) Al kdy převažuje hexagonální mřížka Z rn 3 3,4 H fn 2 1,2 Ref.: ISIJ International 38, 925-934 (1998) Hardness0.07 [GPa] T 25[ C] 40 30 AlCrSiN AlTiSiN 20 10 0 Zdroj: Ceme Con, Kunden Magazin fur Beschichtungstechnologie, Tools, Nr. 17, September 2004 20 40 60 80 100 Al [at%] Zdroj: Cselle Tibor, přednáška Quo Vadis Coating, Vrstvy a Povlaky 2004 35/44
Teplotní přetížení nástroje častá příčina jeho poškození Vrstvy jako např. Al2O3 popř. AlTiN vytváří účinné tepelné bariéry Lavinovitý otěr nástroje následkem tepelného i mechanického přetížení 36/44 Rozdělení odváděného tepla v závislosti na řezné rychlosti při obrábění oceli
Odolnost proti oxidaci u vrstev s obsahem Al 900 C vzduch, 60 min TiN AlTiN 60%Al 37/44 TiAlN TiAlSiN
CVD depozice vrstvy TiN+ Al2O3+TiN Substrát ultrajemný SK TiN DS* α-al2o3 Ti(C,N,O) MT-Ti(C0,47,N0,53) TiN Sandvik GC 3205 38/44 Při svém pracovním pobytu ve firmě Ceratizit (Rakousko) jsem měl za úkol sledovat trvanlivost VBD nejen jejich produkce, ale i konkurenčních společností, mezi nimiž právě Sandvik vykazoval velmi dobré výsledky. Vedle trvanlivosti jsem sledoval z metalografických výbrusů, tak i z fraktografického pozorování, skladbu vrstev. Celkem jsem takto zanalyzoval 9 konkurenčních a 9 vlastních systémů. Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde
Další trendy depozic Depozice řezné keramiky CVD depozice vrstvy Ti(C,N)+ Al2O3+TiN Substrát neoxidická keramika Si3N4 Lom systému a hloubkový koncentrační profil analýzy GD-OES na povrchu je nepatrná vrstva TiN, následuje šedivá Al2O3 a TiCN 39/44
Frikční vrstvy sp Ternární fázový diagram vazeb u a C:H. Srovnání koef. tření PIN (kulička) Al2O3 Srovnání - "PIN - on - DISC" ball Al2O3 1,1 MoS2 AlTiN Vrstva na bázi uhlíku 1,0 AlTiN 0,9 0,8 koef. tření 0,7 0,6 0,5 0,4 MoS2 Vrstva na bázi uhlíku 0,3 0,2 Krystalografická mřížka MoS2 40/44 0,1 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 Dráha v km 0,25 0,30 0,35
V minulosti byla hlavní pozornost věnována ekonomice obrábění Hodnoty trvanlivosti T při limitním opotřebení VB=0,3 mm 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) 250 Ra Trvanlivost T (min) 200 150 100 50 0 40 50 60 70 80 Řezná rychlost v (m/min) Ekonomická stránka je samozřejmostí, hlavní trend vývoje bude sledovat kvalitu, ekologický dopad a snadnou obnovitelnost nástrojů. 41/44
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 42/44
Vyplatí se depozice řezných nástrojů? Ceny dle firmy Hofmeister s.r.o. Odvrtaná délka; Lf [m] 50 0 Bez vrstvy TiN TiAlN 43/44 TiN Přeostřeno a deponováno 7.4 Přeostřeno 27 10.8 Přeostřeno a deponováno 28 4.5 Bez vrstvy 50 45,- Kč /1m odvrtané délky Depozice 10 Přeostřeno+přepovlakováno 51 Přeostřeno 20 přeostřeno Depozice 30 288,- Kč /1m odvrtané délky 40 Povlakovaný nástroj 288,- Kč /1m odvrtané délky Bez PVD 78,- Kč /1m odvrtané délky 60 4.5 Bez Multivrstva TiAlN vrstvy Mat: 38MnV35 - Rm=800 N/mm 2 - Emulsion 7% K40UF - d=12.6mm - ap=13,5mm - vc=78 m/min - f=0.25 mm/u Quelle: DC, Stuttgart, Gühring, Sigmaringen
Otázky 44/44 Jaké běžné tloušťky mají tenké vrstvy Proč se užívá název tenká vrstva-substrát Jaké jsou nejčastější druhy depozic Jaké jsou druhy tenkých vrstev Trend vývoje