TripleCoatings® - Új generációs fizikai rétegfelviteli (PVD) módszer forgácsolószerszámokhoz
Szerzők: Cselle, T. - Coddet, O. - C. Galamand - Holubar, P. - Jilek, M. – Jilek, J. - Luemkemann, A. - Morstein, M.
A felületi bevonás jelentősége a szerszámgyártásban
A harmadik évezred első évtizede kitűnő üzletmenetet eredményezett a forgácsoló ipar számára (1. ábra).
1. ábra. A német gépipar fontos ágazatainak növekedése. Az összehasonlítás alapja a 2000. évi termelés (100%).
A statisztika alapjául szolgáló 2000. évhez képest kétszámjegyű növekedés figyelhető meg, 21% a gépgyártók, 17% pedig a szerszámgyártók esetében. A felületkezelő iparnál ez a növekedés háromjegyű, azaz 110%-os. A növekedés legnagyobb részt a vékonybevonat technológiában valósult meg. Így például Európában a növekedés 72%-os, az USA-ban pedig 54%-os.
2. ábra. Standard bevonatok a szerszámiparban az utóbbi 3 évtizedben
A forgácsolószerszámok bevonási technológiája valóban lélegzetelállító sebességgel fejlődött (2. ábra). 1980-ban még a TiN bevonat egyedülálló volt. Ehhez 1988-ig még két újabb csatlakozott: a TiCN és a CrN. Az összehasonlítás alapjául szolgáló 2000. évben a bevonással foglalkozó cégek már 14, többé-kevésbé standard bevonatot kínáltak. Ha tekintetbe vesszük a különböző sztöchiometriákat és szerkezeteket (3. ábra), manapság több száz bevonatról beszélhetünk. Ha csak a különböző kémiai összetételű bevonatokat vesszük figyelembe, a forgácsolószerszámok piacán kb. 70 különböző bevonatot különböztethetünk meg.
3. ábra. A forgácsolószerszámok PVD-bevonatainak mikro- és nanoszerkezete
3a ábra: Monoblokk szerkezet adhéziós réteggel és anélkül 3b ábra: Többrétegű szerkezet
3c ábra: Gradiens szerkezet 3d ábra: Nanoréteg-szerkezet
3e ábra: Nanokompozit-szerkezet 3f ábra: Hármas szerkezet (nanokompozit fedőréteg, monoblokk vagy gradiens mag-réteg, adhéziós réteg)
A mai PVD-bevonatok legfontosabb adalékanyagai
A 4. ábra a legfontosabb anyagkomponenseket és a bevonatok jellemzőire gyakorolt hatásukat foglalja össze.
4. ábra. A fontos anyagkomponensek hatása a PVD-bevonatok tulajdonságaira
· A szén erősíti a TiN alapbevonat kristályrácsát, növeli belső feszültségét és ezért a keménységet is, csökkenti a súrlódási együtthatót, de mindez csak 400°C-ig igaz. A TiCN bevonat még mindig a vezető bevonat a menetfúróknál, de mindez nem elég a száraz és a nagy sebességű forgácsoláskor.
· A forgács és a szerszám közötti kitűnő hőszigetelés miatt a TiAlN-AlTiN rétegek alapbevonatnak számítanak a modern, nagy teljesítményű forgácsolásnál. (Akkor nevezik AlTiN-nek bevonatot, ha az Al tartalom nagyobb 50%-nál.) A szerszámok esetében a szóban forgó bevonatok piaci részesedése ma 40% körüli. Ha azonban az alumíniumtartalom meghaladja a kb. 65%-70% értéket, a bevonatok elvesztik keménységüket és kopásállóságukat [1], [2]. A teljesítmény javítása érdekében az iparnak ezért további adalékokat kellett keresnie.
· A krómmal adalékolt bevonatok legfontosabb előnye nagy mechanikai kopásállóságukban van. Nagy szívósságuk és acélhoz hasonló E-modulusuk a Cr-adalékolt rendszereket a gyorsacél anyagú szerszámokhoz használják. A Cr kismértékben a hőállóságot is növeli [3]. Ha Cr tartalmú bevonatokat készítünk és használunk, nem szabad elfeledkezni azonban az egészségi és környezeti ártalmakról sem. A krómgőzök károsíthatják az emberi légutakat, a Cr-adalékolt bevonatok eltávolításakor pedig hatvegyértékű Cr képződik, ami bőrrákot okozhat [4].
· A szilícium hőállósága és szigetelő tulajdonsága jól ismert. Azok a bevonatok, amelyek a fémfázisban Si ötvözőelemet tartalmaznak, kitűnően használhatók a nagysebességű forgácsolásra [5]. Megfelelő technológiát [6], [7] használva a szilícium nanokompozit szerkezet képződését is lehetővé teszi [8]. A nanokristályos TiAlN-, AlCrN- vagy AlTiCrN-szemcsék beágyazódnak az amorf szilíciumnitrid mátrixba (lásd 3e ábra). A mátrixban nem történik szemcsenövekedés és a keménység nagy (akár 50 GPa fölötti) marad.
A TripleCoatings® módszer célja
Megfelelő adalékolás segítségével a „személyre szabott” bevonatot egy adott alkalmazáshoz lehet igazítani, és az általános bevonatokhoz képest rendkívüli mértékben meg lehet növelni a bevonat teljesítőképességét. Ennek ellenére sok felhasználó azt szeretné, ha a ma rendelkezésre álló bevonatok számát egyetlenre lehetne csökkenteni. Ez az egy azonban univerzális, azaz mindenre alkalmazható bevonat legyen. Ez természetesen lehetetlen. A legfontosabb adalék-komponensek (Ti, Al, Cr, Si) előnyeinek együttes felhasználása új irányt jelölhet ki egy új, univerzális bevonat kidolgozása felé. Ezt az ötletet követik az ún. „háromszoros bevonatok” (védett márkanevükön TripleCoatings®) [9].
5. ábra. Tányérkerék forgácsolása AlTiCrN bevonatú szerszámmal
A három legfontosabb adalékanyag (Ti, Cr, Al) közös alkalmazása is már előnyt jelent a hagyományos, csak két fémes elemet tartalmazó bevonatokhoz képest (5. és 6. ábra).
6. ábra. Fűrészelés AlTiCrN bevonatú keményfémlapkás szerszámmal
A fogazáskor történő alkalmazásnál nemcsak a szerszám éltartama fontos, hanem az eredmények reprodukálhatósága is, amelyet a kis szórás jellemez (7. ábra).
Az igazi áttörést a nanokompozit rétegeket is tartalmazó TripleCoatings® bevonatok teszik lehetővé.
· A réteg optimális tapadásának elérése érdekében a bevonatolás nem kezdhető többkomponensű (pl. TiAl, AlCr vagy TiSi) adhéziós réteg felvitelével. Az optimális tapadást Ti-TiN vagy Cr-CrN kiindulási rétegekkel érhetjük el.
· A TripleCoatings® bevonatoknak legalább olyan univerzálisaknak kell lenniük, mint a ma általánosan használt TiAlN-AlTiN bevonatok. Ezért a TripleCoatings® középső rétege AlTiN összetételű.
· Univerzális jellegük ellenére a TripleCoatings® bevonatok nagyteljesítményű bevonatként is használhatók. Ezt a nanokompozit fedőréteg teszi lehetővé.
7. ábra. Lefejtőmarás AlTiCrN bevonatú maróval
A TripleCoatings® szerkezete
A TripleCoatings® bevonatokat leginkább a LARC-CERC technológiával [6], [10] lehet előállítani forgó, többnyire nem ötvözött targeteket (bevonófém hengereket) használva (8. ábra).
8. ábra. TripleCoating nACRo3® előállítása a π300 bevonatológép univerzális katód-konfigurációjával (UCC)
· A π300 típusú bevonatoló berendezés alapkiépítésben 3+1 katóddal dolgozik [9], [10]. A három LARC®-katód (LAteral Rotating Cathodes, oldalsó forgókatód) a vákuumkamra ajtajánál, a CERC®-katód (CEntral Rotating Cathode, központi forgókatód) pedig vákuumkamra közepén helyezkedik el. A réteg szerkezete (mono-, multi- vagy gradiens) és sztöchiometriája (anyagi összetétele) szabadon programozható.
· A katódok hengeresek és hosszabbak, mint a szubsztrátumok tartói (karusszel). Ezen felépítés miatt a bevonat vastagságeloszlása egyenletes és igen kis szórást mutat.
· A vékony (~200 nm) jól tapadó (adhéziós) réteget a tiszta Ti (vagy Cr) katódról választják le.
· A szívós középső réteget (TiAlN-AlTiN) a központi (Al(Ti)) és az oldalsó Ti-katódból állítják elő.
· A példaként szolgáló nACRo® egy abrazív kopásnak rendkívül ellenálló CrAlN/SiN fedőréteget kap [11]. Ennek nanokompozit szerkezete rendkívül kemény, a szilícium pedig igen nagy hőállóságot tesz lehetővé.
A bevonat sztöchiometriájának megtervezése számítógépes szimulációval
A számítógépes szimulációt erőteljesen és széles körben használják a szerszámgépek és a forgácsolási folyamatok tervezésekor. Mindmáig azonban nagyon ritkán lehetett találkozni ezekkel a tervezési módszerekkel a bevonatgyártó iparban. Itt az ideje a változásnak!
A következő példa azt szemlélteti, hogy a bevonási folyamat tervezésekor a sztöchiometria és a szubsztrátumok elemeinek kiválasztásában nagy segítséget nyújt a számítógépes szimuláció. A nACo3® bevonat előállításával kapcsolatban a bevonatolási folyamat megkezdése előtti szimulációs eredmények a (lásd a 9.-13. ábrákat) a következő fontos információval szolgáltak:
9. ábra. A szubsztrátum-tartó hajtásával kapcsolatos probléma felismerése a nACo3® TripleCoatings® leválasztásának szimulációja során
· Ha a szubsztrátumtartók forgássebessége nem megfelelő, horizontálisan (a kerület mentén) változó rétegvastagság-eloszlást kapható (9. ábra).
10. ábra: A szubsztrátum-tartó hajtásával kapcsolatos „lebegési” probléma felismerése a nACo3® TripleCoatings® leválasztásának szimulációja során
· más esetben a bevonat sztöchiometriájában egyfajta ingadozást („lebegést”) észleltünk, ami nemkívánt, többrétegű szerkezetet eredményezett (10. ábra).
11. ábra. A szubsztrátum-tartó fogaskerékhajtás optimalizálása a TripleCoatings® nACo3® bevonás szimulációjával
· A forgatás hajtásarányának optimalizálása után ez a hiba szinte teljesen kiküszöbölhető (11. ábra). Mindez anélkül érhető el, hogy megépítenénk a tartókat, drága bevonási kísérleteket és méréseket végeznénk.
12. ábra. A rétegvastagság-növekedés összehasonlítása a TripleCoatings® nACo3® bevonás szimulációjával
· A bevonatképzés sebessége háromszor forgatott szubsztrátumok (pl. száras szerszámok) esetében 45%-kal kisebb, mint a kétszer forgatott szerszámoké (pl. lefejtőmarók). Ezt mutatja a 12. ábra. Ennek oka a nagyobb felület és az árnyékoló hatás.
13. ábra. A TripleCoatings®, nACo3® bevonat függőleges képződésének szimulációja: a szerszámcsúcsok és a fedőlemez közti távolság hatása
· A függőleges bevonat-eloszlás szimulációja fontos információt szolgáltat a bevonókamrába történő szerszámelhelyezésre (berakásra) vonatkozóan (13. ábra). A szerszámcsúcsok és a fedőlemez közötti túlzottan nagy távolság növeli a szerszámcsúcsok rétegvastagságát és erősíti az antenna-effektust.
14. ábra. A függőleges rétegképzés szimulációja
· Az új π313 bevonatológépen a függőleges rétegvastagság-eloszlás szimulációját (14. ábra) arra használtuk, hogy megtervezzük a katódok elhelyezését a vákuumkamrában (15. ábra).
15. ábra. A gép koncepciója a TripleCoatings® bevonathoz
Milyen jók a TripleCoatings® bevonatok az ipari gyakorlatban?
Esztergálás
Normál (kis) forgácsolósebesség mellett a TripleCoating® nACo3® bevonat hasonló eredményeket mutat, mint az Al-Ti alapú bevonatok különböző változatai (16. ábra).
16. ábra. Száraz esztergálás nACo3® bevonattal
Nagyobb forgácsolósebességeknél azonban a Ti-Al alapú bevonatok hagyományos változatai már nem nagyon használhatók. Nem ez a helyzet a TripleCoating® nACo3® bevonattal. Jobb, mint a manapság is széles körben használt, akár még Al2O3 réteget is tartalmazó CVD-bevonat (17. ábra).
17. ábra. nACo3® és CVD-bevonat összehasonlítása száraz esztergáláskor
Marás
Szemben az esztergalapkákkal, a Cr-alapú bevonatok a marásnál sikeresek (18. ábra) [13]. Mivel a lapkákról a bevonatot gyakorlatilag soha nem távolítják el, a korábban említett hátrányok nem lényegesek.
18. ábra. nACo3® és nACRo3® bevonatú lapkák száraz maráskor
A 18. ábra esetében a TripleCoating® négy rétegűvé válik. A TiN fedőrétegre „üzletpolitikai” okokból volt szükség, hogy elrejtse, egységessé tegye és standardizálja a valódi bevonatok színét.
A bevonatok legszélesebb választékát ma a szárasmaróknál használják. Nagy kihívást jelent a TripleCoating® számára, hogy versenyben maradjon a mai piacvezető rétegekkel (AlCrN [14] és a TiSiN [15]) szemben. A 19. ábra azt mutatja, hogy ez lehetséges.
19. ábra. Nemsített állapotú acél marása nACo3® bevonattal
Fúrás
A TripleCoatings® bevonatok területén valójában a fúrás a legsikeresebb alkalmazás (20. ábra) [7].
· Nyilvánvaló, hogy a TripleCoatings® bevonatok jobbak, mint a versenytárs (TiAlN, AlTiN, AlCrN és AlCrN/TiSiN) változatok.
· A hármas szerkezet nagyobb vastagságot tesz lehetővé, ami rendkívül hasznos a fúrásnál.
· Ezen túl a kisebb szórás javítja a termelés megbízhatóságát.
20. ábra. Erősen ötvözött acél fúrása nACo3® bevonattal
Lefejtőmarás
Valószínűleg a lefejtő fogazatmarás jelenti a legnagyobb kihívást a forgácsolószerszám bevonatok készítői számára. Miért?
· A bonyolult alakú lefejtőmaró fogazatán az él kialakítása (a sorja eltávolítása, az él lekerekítése és fenése) nagyon nehéz és ezt igen egyenletes minőségben kell végezni [16], [17].
· A lefejtőmaró nagy tömegű, azonban gyorsan és egyenletesen kell felmelegíteni.
· A bevonatvastagságnak egyöntetűnek kell lennie a fogazat tetején és a horony mélyén.
· A drága lefejtő marószerszámokat általában újraköszörülik, újra bevonják, és újra felhasználják – akár 15 alkalommal is. Ezért lefejtőmaróknál a bevonat eltávolítása elkerülhetetlen.
21. ábra. Száraz lefejtőmarás nATCRo3® bevonattal
Ahhoz, hogy jó minőségű bevonatokat készítsünk a lefejtőmarókra, mindent be kell vetnünk? A válasz: igen, mert az összes fontos bevonó komponens (Ti, Al, Cr, Si) minden előnyének egyidejű kihasználása ismét garantálja az igen jó eredményt (21. ábra).
Összefoglalás
A TripleCoatings® márkanevű, a fizikai rétegfelviteli (PVD) módszerrel készülő bevonatok új generációja mind a hagyományos (TiN, CrN, TiAlN, AlTiN), mind a nanokompozit (nc-TiAlN/a-SiN, nc-AlCrN/a-SiN, nc-AlTiCrN/a-SiN) bevonatok előnyeit kihasználja. A TripleCoatings® bevonatok általános célokra is használhatók, de nagyon jó eredményeket hoznak a nagyteljesítményű megmunkálásban is. Előnyösen olyan bevonó egységekben lehet ezeket a bevonatokat előállítani, amelyek LARC®- és CERC® technológiát használnak. A TripleCoatings® bevezetésére 2007 tavaszán került sor, és mára széles körben használják őket a forgácsolószerszám gyártó iparban szerte a világon.
Irodalomjegyzék
[1] Paldey, S., u.a.: Single and Multilayer Wear Resistant Coating of (Ti,Al)N ; A Fordiew Material Science and Engineering, Elsevier B.V., New York, A342/2003
[2] Cselle, T.: Application of Coatings for Tooling - Quo Vadis 2005?; VIP Vacuum's Best, Wiley, Weinheim, 2005
[3] Willmann, H., u.a.: Thermal Stability and Age hardening of Supersaturated AlCrN Hard Coatings - Heat Treatment and Surface Engineering, IHTSE Maney, London, 1/2007
[4] Occupational Exposure to Hexavalent Chromium US-Occupational Safety & Health Administration Federal Register: Febr/28, 2006 Volume 71, Number 39, Rules and Regulations – p. 10099-10385
[5] Tanaka, Y., u.a.: Structure and properties of Al–Ti–Si–N coatings Surface & Coatings Technology, Elsevier, 215/2001, p. 146-147
[6] Cselle, T., u.a.: LARC: New Coating Technology for Industrial Use Schwiss Quality Production, Hanser, Zurich, May/2003
[7] Morstein, M. u.a.: Rotating ARC PVD Cathodes – Five Years of Dependable High Performance ICTCMF, G7-6, San Diego, April/2007
[8] Veprek, S., u. a.: Different Approaches to Superhard Coatings and Nanocomposites Thin Solid Films, Elsevier, Amsterdam, 476 (2005) p. 1-29
[9] TripleCoatings® - www.platit.com
[10] Cselle, T., a.o.: 3+1 Cathodes – 30 Coatings – 300 Batches without Target Exchange Swiss Quality Production, Hanser, Zürich, 8/2007
[11] Karvankova, P., u.a.: Thermal stability nc-CrN/a-SiN coatings Material Research Society, Fall meeting, Boston, 2005
[12] Jilek, M., u. a.: New Machine Concept for TripleCoatings® ICTCMF,G7-2-905, San Diego, April/2008
[13] Holubar, P.: Large-Scale Industrial Applications of Superhard Nanocomposites and Development of Advanced Coating Technology, Nanocoatings, Budapest, April/2008
[14] BALINIT® ALCRONA makes your tools fit for the ultimate in performance www.oerlikonbalzerscoating.com
[15] Ishikawa, T., u. a.: TiSiN based Ultra-hard Coating Materials Hitachi Metals Technical Fordiew, Tokyo, 21/2005, p.59-64
[16] Cselle, T., u.a.: Influence of Edge Preparation on the Performance of Coated Cutting Tools - ICMCTF, Invited lecture, San Diego, April/2007
[17] Lümkemann, A., u.a.: Using the Full Potential of Nanocomposite Coatings on High Performance Tools - ICTCMF, San Diego, GP-11, April/2008. november 28.
Megjegyzés: A szakcikk Another step to universal all round coating címmel az EPE Swiss Quality Production 2008 folyóiratban (kiadja a Carl Hanser Verlag, München) jelent meg. A szerzők hozzájárulásával jelenik meg honlapunkon is.