1. Bevonat készítési technológiák

Átírás

1 1. Bevonat készítési technológiák A szerszámbevonatoló eljárás közül, a szervetlen és a szerves rétegek párologtatására, felhordására 2 kiemelkedő jelentőségű technológia létezik. A fizikai gázfázis párologtatás PVD ( Physical Vapor Deposition ) és A kémiai gázfázis párologatás CVD ( Chemical Vapor Deposition ). 1.1 PVD- és a CVD rétegezés folyamat hőmérsékletei, és jellemzői PVD: A precíziós szerszámokhoz használt PVD rétegek kb. 450 C-on, relatív alacsony hőmérsékleten válnak ki. Mivel ez a megeresztési hőmérséklet alatt van (550 C körül), ezért utólagos hőkezelés nélkül a gyorsacél (HSS) szerszámok így rétegezhetők. A keményfémből készült szerszámoknál az alacsony hőmérsékletnek az az előnye, hogy a vágóél anyag rideggé válását elkerülik. A rétegzendő szerszámokat egy ráfordítás igényes, többlépcsős tisztítási folyamatnak vetik alá, hogy elegendő rétegvastagságot garantáljanak. Továbbá figyelembe kell venni, hogy a rétegezésnél a nem kívánatos beárnyékolásokat elkerüljék, amelyek a rétegfelépítést megakadályoznák CVD: A CVD rétegeket jelentősen magasabb hőmérsékleten kb C-ig választják ki attól függően, hogy közepes vagy magas hőmérsékletű folyamatról van szó (MT-CVD, HT-CVD). Ezért ezeket a rétegeket lényegében keményfémre hordják fel, ezáltal a szerszám egy bizonyos rideggé válást vonja magaután. Előnye: megfelelő rétegvastagság érhető el az alacsony tisztítási ráfordítás a rétegezés előtt beárnyékolás elkerülése, egyszerű berendezés.

2 Mindenekelőtt a keményfémből készült szerszámokat, különösen a forgácsoló megmunkáláshoz, nagy számban CVD-berendezésekben rétegezik. Hasonlóképp az acélból készült képlékeny alakító szerszámokat is középhőmérsékletű CVD-réteggel látják el általában egy hőkezeléssel összekapcsolva. Természetesen ez azt feltételezi, hogy az ezzel együtt járó hőtorzulás kompenzálható. Ellenkező esetben a PVD rétegre kell áttérni. Az olyan folyamatok, mint a plazma-cvd (P-CVD) jelentősen alacsonyabb hőmérsékleten dolgoznak (kb. 500 C), hogy a szerszám rideggé válását elkerüljék. A plazma-cvd csak néhány évvel ezelőtt lépett a piacra és még nem terjedt el nagymértékben. 1.2 Bevonatolási tecnnológiák PVD-bevonatoló eljárások A PVD-eljárásnál a forrástól a rétegzőanyag egy fizikai folyamattal a szilárd test fázisból a gázfázisba megy át. A precíziós szerszámoknál az ionbevonat ( Ion Plating ) 3 változata kerül bevetésre. A folyamatokat inaktív gáz alatt és többnyire reaktív gázzal (pl. nitrogén és/vagy acetilén) vezetik és negatív szubsztrátum előfeszültséggel dolgoznak. A változatok a fémpárologtatás fajtájában különböznek: Elektronsugár-párologtató eljárás Fényív- vagy Arc-eljárás (párologtatásához fényívet gyújtanak. Az eljárás Arc- Ion-Plating (AIP)-ként is ismert) Porlasztás, szilárd fázisból kiindulva, részecskebelövéssel CVD-bevonatoló eljárások A CVD-rétegező berendezéseknél a kiválasztandó anyagokat mindig gázokból nyerik. A fém alkotóelemek könnyen párologtatható fémkloridokat használnak, mint pl. a titántetrakloridot (TiCl4) vagy alumíniumtrikloridot (AlCl3). A reakció alkotóelemeket hordozógázon keresztül szállítják, mint pl. argonon (Ar) vagy hidrogénen (H2), és a felhevített szubsztrátumokra választódnak ki.

3 2. Bevonat típusok 2.1 Titannitrid-rétegek () A réteg az elmúlt 25 évben allround-rétegként debütált, bár az elmúlt években veszített piaci részesedéséből más oxidációállóbb rétegekkel szemben. Régóta a az első választás a HSS-menetfúrók bevonatolásnál, és az összes réteg közül most is a legnagyobb piaci részesedéssel rendelkezik Németországban és világszerte. Mivel a rétegek vékonyak, és emellett zártabb helyzetben is kiválnak, kifejezetten jól illenek a nagyon éles vágóéllel rendelkező szerszámokhoz, mint pl. a dörzsárhoz. További előnye a biokompatibilitásban rejlik, úgyhogy számos alkalmazása van az élelmiszeripar területén (pl. kések rétegezése), és az implantátumoknál (pl. csípőizület). 2.2 Titán-Carbonitrid-rétegek (TiCN) Az igen kemény és sűrű Titán-Carbonitrid-réteg (TiCN) hamarosan kiszorítja a réteget a HSS-szármaróknál, különösen a magasabb mechanikus terhelés esetében. Az ilyenfajta marószerszámokkal a szárazmegmunkálás első igénye lefedhető. A bevonatolás célzott irányításával a rétegfelépítés alatt a nitrid és karbid részek variálódnak. Ezeknek az úgynevezett gradiensrétegeknek. Ezzel a módszerrel a külső réteg különösen simává és csúszóssá alakítható (alacsonyabb súrlódási együttható). Pusztán egyszerű TiCN-egyrétegű rétegeket egyre ritkábban kínálnak, ehelyett gradiens vagy többrétegű rétegekkel helyettesítik, amelyeknek a C N viszony variálódik. Ezáltal a legkülönfélébb javításokat találják meg, többek között a réteg sűrűsége megnövekszik és a rések elterjedése a rétegen belül megnehezedik.

4 2.3 Titán-Alumíniumnitrid-rétegek (TiAlN) A Titan-Alumíniumnitrid és Titán-AlumíniumCarbonitrid rétegenek a magasabb termikus, és kémiai ellenállóképessége lehetővé teszi a magasabb megmunkálási hőmérsékletet az ezzel bevonatolt szerszámoknál. A felépítésen keresztül (egy- vagy többrétegű, kristályos vagy nanokristályos) az alumínium részhez (Al) más kémiai elemek beépítését, pl. szén (C), Yttrium (Y) vagy Niob (Nb) alkalmaznak. Ezért a TiAlN rétegek különösen beválnak a keményfém szerszámokkal való kemény-, és szárazmegmunkáláshoz. A többrétegű rétegek alacsonyabb keménységet és magasabb sűrűséget mutatnak. A többrétegű bevonatok sokrétű réteggé való továbbfejlődése rajzolódik ki. Ezek a nanorétegek mint egyes rétegek, már csak transzelektronikus mikroszkóp (TEM) alatt ismerhetők fel. 2.4 Csúszó,- Kenőrétegek (MoS2, C-amorph /nem kristályos/, DLC, WC/C) A csúszórétegek tribologiai rétegek, amelyek a szárazmegmunkálásnál is egy bizonyos önolajozást biztosít. A felületi súrlódás, és a gerjesztett súrlódási hő csökkentésével az alkatrészbe ill. a szerszámba bevitt hő csökken. Van puha és kemény réteg. A puha, az ismert molibdén-szulfid (MoS2), jelentőséget a forgácsnélküli, alakító szerszámoknál ért el. A forgácsolásnál jelentős kemény csúszórétegek közül többek között a szénrétegeket (a-c) és a hidrogéntartalmú fém-szén-rétegeket (Me-C:H, pl. WC/C) alkalmazzák.

5 2.5 Chromnitrid- és Titándiborid-rétegek ( és TiB2) A chromnitrid () és a titándiborid (TiB2) rétegeket a rézötvözeteknél és a az alumíniumötvözeteknél alkalmazzák. Mindkét rétegnél a DLC és a gyémánt értelmes alternatíva lenne. A relatív korrózióálló, kemény és jól tapadó rétegeket képez, amelyek alacsony hőmérsékletnél kb. 200 C válnak ki. 2.6 Gyémántrétegek A grafit növekvő jelentősége a Senkerodierenhez használt elektróda alapanyagként (vörösréz,-wolfram helyett) lehetővé tette az újszerű rétegek kialakítását. Az elsősorban marással megmunkálandó grafit rendkívülien abrasiv, amely a gyémántrétegek bevetését kopásvédelemként a lehető legnagyobb keménységgel nyilvánvalóvá teszi. Noha CVD-folyamatban válik ki, a kielégítő réteg szavatosság biztosítása fő problémának bizonyul. A magas folyamathőmérséklet miatt csak a keményfém szubsztrátum jön számításba. A tapasztalati értékek alapján a következő korlátozásokat állapították meg a keményfémre: A WC-keményfémek (ISO felhasználási csoport K) kobalthányada 6 % vagy annál kevesebb legyen. A Co-kötésfázis ne tartalmazzon krómot, vanádiumot, nikkelt és vasat (Cr, V, Ni, Fe). Csak közepes szemcsenagyságú (min. 1-től 2 µm-ig) keményfémeket rétegezzenek. Megkülönböztetünk érdes, kristályos szerkezetű (1-től 5 µm nagyságú krisztallitok) és sima, nanokristályos szerkezetű (20 nm-től 0,1 µm nagyságú krisztallitok) gyémántrétegeket. A grafit megmunkálásához az érdes az alumíniumoknál a magas szilícium (Si) tartalmú sima gyémántrétegek váltak be.

6 Az alumíniumöntvény ötvözetek (kb. 17 % Si-hányaddal) nagyoló marása lehetséges, ameddig a gyémánt-rétegvastagság a kb. 20 µm-t el nem éri. A polikristályos gyémánthoz (PKD) képest, ahol egyedülálló, sima vágólemezkéket forrasztanak keményen egy hordozószerszámra, a gyémántréteg azt az előnyt kínálja, hogy a komplex szerszámgeometriák is bevonatolhatók vele. Továbbá a CVDgyémántrétegek kötőanyagmentesek, és ezáltal mint a felforrasztandó CVD-vastag gyémántlemezkék keményebbek, mint a PKD. Minden gyémántanyagra érvényes a szén magas affinitása a vassal. A gyémánt átalakulása ( égetés ) már kb. 600 C-nál megkezdődik. Természetesen a gyémántot alkalmazhatják Fe-anyagoknál is a kielégítő hűtés és az alacsony vágósebesség kikötése mellet.

7 H+K Surface Technology GmbH PVD bevonat típusai, és jellemzői naco Szín: viola-kék Nanokeménység: 45 GPa Rétegvastagság: 1-4 µm Súrlódási együttható: 0.45 Max. alkalmazási hőmérséklet: 1100ºC Nanokompozit-réteg naco = (nc-alxti1-xn)/(si 3 N 4 ) TiAlN-ML Szín: viola-fekete Nanokeménység: 28 GPa Rétegvastagság: 1-4 µm Súrlódási együttható: 0,6 Max. alkalmazási hőmérséklet: 700ºC TiAlN-MB Szín: viola-fekete Nanokeménység: 35 GPa Rétegvastagság: 1-4 µm Súrlódási együttható: 0,5 Max. alkalmazási hőmérséklet: 800ºC Forrás: H+K Surface Technology GmbH, 02/2005 Prospektus

8 Szín: arany Nanokeménység: 24 GPa Rétegvastagság: 1-7 µm Súrlódási együttható: 0,55 Max. alkalmazási hőmérséklet: 600ºC TiCN-G Szín: vörös-réz Nanokeménység: 32 GPa Rétegvastagság: 1-4 µm Súrlódási együttható: 0,2 Max. alkalmazási hőmérséklet: 400ºC +CBC Szín: szürke Nanokeménység: 20 GPa Rétegvastagság: 1,5-6 µm Súrlódási együttható: 0,15 Max. alkalmazási hőmérséklet: 400ºC Grádiens duplaréteg Szín: fém-ezüst Nanokeménység: 18 GPa Rétegvastagság: 1-7 µm Súrlódási együttható: 0,3 Max. alkalmazási hőmérséklet: 700ºC Forrás: H+K Surface Technology GmbH, 02/2005 Prospektus

9 TiAlCN Szín: burgundi(vörös) Nanokeménység: 28 GPa Rétegvastagság: 4 µm Súrlódási együttható: 0,25 Max. alkalmazási hőmérséklet: 500ºC Al-G Szín: fekete Nanokeménység: 38 GPa Rétegvastagság: 1-4 µm Súrlódási együttható: 0,7 Max. alkalmazási hőmérséklet: 800ºC Al-ML Szín: fekete Nanokeménység: 38 GPa Rétegvastagság: 4 µm Súrlódási együttható: 0,7 Max. alkalmazási hőmérséklet: 800ºC Forrás: H+K Surface Technology GmbH, 02/2005 Prospektus

10 Acélok Aluminium (>12% Si) Aluminium (<12% Si) Szürkeöntvények Szuperötvözött Vörösréz Bronz/ Sárgaréz Műanyag Fúrás AL AL TiCN TiAlCN Al Forgácsoló megmunkálás Esztergálás Marás Menet megmunkálás Fűrészelés AL AL TiALCH AL AL AL TiCN-Mp TiCN TiCN ALTIN TiAlCN TiAlCN +CBN Al Al Al Dörzsárazás és üregelés TiAlCN AL - Forgácsolás nélküli megmunkálás Fröccsöntés Kivágás és sajtolás Képlékeny alakítás - AL - - +CBN +CBN Al - Al - Forrás: H+K Surface Technology GmbH, 02/2005 Prospektus