Sunday, March 23, 2008

晶体组织受控生长的CVD氧化铝涂层的沉积、显微结构和特性(上)www.tool-tool.com

Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.

1 引言

  1. 背景
    金属切削行业显示出技术决速发展的特点,这是经济全球化、不断加剧的市场竞争、功率更强大和性能更稳定的机床允许采用更高切削速度、难加工材料的大量应用、日益增强的环保意识等多种因素共同作用的结果。
    新的环保法律法规将增大使用冷却润滑液的成本,这促进了干式切削的发展,同时也要求更多地采用耐高温的涂层硬质合金,通常这也会促进金属切削行业考虑采取新的解决方法。金属切削市场最重要的几个发展趋势如下:
    1. 为了提高生产率而采用更高的切削速度;
    2. 为了降低成本和保护环境而采用干式切削和域最少量润滑(MQL)切削;
    3. 为了减轻零件和结构重量而采用难加工材料(即高强度材料)。
    所有这些发展趁势都对切削刀具的耐磨性、抗变形能力和韧性提出了更高要求。
    Al2O3具有很高的化学稳定性和优良的热特性,是高速切削刀具理想的涂层材料。此外需要强调的是,CVD仍然是能够经济地生产高质量2O3涂层的唯一技术手段。
  2. CVD Al2O3涂层
    虽然在耐磨涂层领域发表的大部分科技文献都是有关PVD技术的,但认识到过去几年里CVD涂层技术(尤其是Al2O3涂层技术)取得的重大进展是至关重要的。如今,已能通过可控的CVD工艺沉积三种不同的Al2O3涂层(a-Al2O3, k-Al2O3g-Al2O3)。
    表1 稳定和亚稳定的Al2O3相的特性
    Al2O3a-Al2O3k-Al2O3g-Al2O3
    稳定性稳定亚稳定亚稳定
    晶体系统三角晶系斜方晶系立方晶系
    空间组D63d=R3cPna21Fd3m
    晶格参数(Å)六边形晶系(h):a=4.7587, c=12.9929, n=6
    斜方六面体晶系(R):A=5.12, a=55.17°, n=2
    a=4.8351
    b=8.3109
    a=7.92
    单个晶胞中的Al原子数12(h)/4(R)1663/3
    单个晶胞中的O原子数18(h)/6(R)2432
    a-Al2O3是唯一稳定的Al2O3相,亚稳定的k相和g相将通过如沉积中的热处理、沉积后的热处理以及切削加工中产生的热量而转化为稳定的a相。这三种Al2O3相的某些特性见表1。

    图1 由交替沉积的4层a-Al2O3和4层k-Al2O3构成的Al2O3多层涂层。Al2O3的相由沉积前预设的成核工艺措施控制,k-Al2O3a-Al2O3以相同的工艺参数沉积
    人们惊讶地发现,采用CVD工艺在工业生产中沉积稳定的a-Al2O3要比沉积亚稳态的k-Al2O3困难得多,其原因之一是k-Al2O3在具有fcc结构的TiC、Ti(C,N)或TiN涂层的未氧化表面更容易形成晶核。此时成核的k-Al2O3相对较稳定,并能生长形成较厚的涂层(>10µm)。因此,如果成核表面为TiC、Ti(C ,N)或TiN(这种情况对于硬质合金涂层具有典型性),用CVD工艺不能直接成核和生长a-Al2O3。这也可以部分解释k-Al2O3作为涂层材料被广泛使用的原因。迄今仍有许多商业化生产的CVD Al2O3涂层由k-Al2O3构成。
    最近,刚刚开发出了可实现工业化生产的CVD Al2O3涂层的最新技术,该技术可通过全面控制成核过程来沉积a-Al2O3k-Al2O3涂层。图1所示为采用可控成核技术沉积的a-Al2O3k-Al2O3涂层。图中的Al2O3多层涂层由交替沉积的4层a-Al2O3和4层k-Al2O3涂层所构成。Al2O3的相是在沉积Al2O3之前由成核工艺措施控制的,所有的单层l2O3(a-Al2O3k-Al2O3)涂层都以相同的工艺参数沉积。利用这项技术可以完全控制CVD 2O3涂层的相结构。
    如上所述,k-Al2O3为亚稳定相,并可在沉积过程或切削加工中(尤其在高速切削时)转化为稳定的a-Al2O3相。在相变时发生的体积收缩将降低并最终破坏k-Al2O3涂层的粘附性。因此,考虑到涂层的沉积效果和耐磨损性能(尤其在高速切削时), a-Al2O3相应该是最佳和最安全的选择。本文重点关注a-Al2O3涂层沉积工艺的进一步优化。
    根据“国际晶体学表”中采用的定义,a-Al2O3属于三角晶系,并有一个以斜方六面体为中心的六边形晶格,空间组符号为R3c 。a-Al2O3的晶体结构通常被描述为由以近似hcp排列(…ABAB…)的氧离子(A, B)构成,负铝离子占据了八面体空隙的2/3。正铝离子在按分层顺序排列(…abgbg…)的氧晶格中能占据三个不同的空位。这就是通常所说的ca、cb和cca-Al2O3的晶胞包括6层氧和铝,可用下列方式描述:AcaBcbAcgBcaAcbBcg
表2 实验用a-Al2O3涂层
Al2O3涂层成核表面晶体组织厚度
ATi(C, N), fcca+k-~8
B经处理的fcca(102)~8
C经处理的fcca(104)~8
D经处理的fcca(100)~8
E同Ca(104)~1
表3 沉积Al2O3和Ti(C, N)层采用的工艺参数
工艺参数Al2O3Ti(C, N)
温度(℃)1000860
时间(min)560/60120
压力(m bar)8050
H2(vol%) 平衡平衡
Ar(vol%) 100
N2(vol%) -18
CO2(vol%) 4.2-
AlCl3(vol%)4.0-
H2S(vol%)0.4-
TiCl4(vol%)-2
CH3CN(vol%)-0.8
HCl(vol%) 21

2 实验

  1. 涂层的沉积
    实验用a-Al2O3涂层是在一台工业生产用的CVD反应炉中利用AlCl3-CO2-Ar-H2-HZ2气相系统沉积的(沉积温度1000℃)。共沉积了5种不同的a-Al2O3涂层(涂层A~E,见表2)。
    涂层A沉积在一个fcc表面上,未采取任何特殊的成核工艺措施;而涂层B~E则沉积在经过处理的fcc表面上。Al2O3涂层生长的晶体组织可通过不同的成核工艺措施加以控制,这一点早已明确。在本实验中,采用了3种不同的成核工艺措施。这些不同成核工艺措施的一个重要区别在于沉积炉气氛的潜在氧化能力,沉积炉气氛的变化从约5ppm H2O(涂层B) 到约20ppm H2O(涂层D)。需要强调的是,所有实验用Al2O3涂层(A~D)都是用完全相同的工艺参数沉积的,唯一的区别在于成核措施不同。除了沉积时间以外,沉积涂层E所采用的工艺参数与沉积涂层C所用工艺参数完全相同,涂层E的沉积时间为60分钟,而涂层A~D的沉积时间为560分钟。沉积Al2O3层采用的工艺参数见表3 。
    a-Al2O3涂层沉积在Ti(C, N)为涂层上,Ti(C, N)为层则采用中温CVD(MTCVD)工艺沉积,沉积温度约860℃,所用工艺参数见表3。涂层A~D由约2µm厚的Ti(C, N)为层和约8µm厚的Al2O3层组成,涂层E则由约2µm 厚的Ti(C, N)为层和约1µm厚的a-Al2O3层组成。所有涂层均沉积在K类硬质合金刻本上,刻本的WC含量94wt%,Co含量6wt%,室温硬度约1600HV10
  2. 分析
    用X 射线衍射仪(XDR)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对实验用涂层进行研究。SEM研究在一台LEO Ultra 55 FEGSEM 电镜上进行;TEM研究在一台配备了Link I-SIS EDS 系统的CM200 FECTEM电镜上进行,TEM研究用的剖面薄膜制备方法可达到穿透整个涂层的电子透明度。
    在一台Philips PW1050系统上采用CuKa射线进行XDR研究。X射线管的工作参数为40kV/40mA。a-Al2O3涂层的晶体组织系数(TC)可按下式计算:
    IC(hkl)=I(hkl){1>I(hkl)}-1



    I0(hkl)nI0(hkl)
    式中,I(hkl)是测得的(hkl)反射强度,I0(hkl)是根据JCPD卡号46-1212得到的粉末衍射强度,n是计算中所用的反射数。指数在六边形系统中给定,因此使用了4轴(hkil) ,指数i是头两位数之和的倒数,即(h+k)=-i。采用了以下的(hkil)反射:( 1012), (1014), (1120), (1123), (1126)和(3030)。(2024)反射是(1012)反射的二级反射,因此在计算中省略不计。
  3. 切削试验
    用涂层刀片对铁素体一珠光体钢(C=0.45wt%, Ck45)进行了纵向车削试验,以评估其切削性能。所有的试验刀片都用XRD对Al2O3的相和晶体组织进行了检测。
    车 削试验在无冷却状态下进行,试验刀片的4个切削刃分别车削2分钟、5分钟、9分钟和15分钟。用煮沸的HCl溶液清洗掉刀片上黏附的工件材料后,用扫描电 镜(SEM)和光学显微镜(OM)对刀片进行研究。对于实验用涂层刀片,还要按照ISO 3685标准另外进行刀具寿命试验。切削试验采用的切削条件如下:
    • 工件:圆形棒料
    • 材料:Ck45 , SS1672
    • 刀片型号:SNUN12O4O8
    • 切削速度:300m/min
    • 进给率:0.4mm/r
    • 切削深度:2.0mm

歡迎來到Bewise Inc.的世界,首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力,我們是提供專業刀具製造商,應對客戶高品質的刀具需求,我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求,我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質,這是現有相關技術無法比擬的,我們成功的滿足了各行各業的要求,包括:精密HSS DIN切削刀具協助客戶設計刀具流程DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航太刀具設計超高硬度的切削刀具醫療配件刀具設計汽車業刀具設計電子產業鑽石刀具木工產業鑽石刀具等等。我們的產品涵蓋了從民生刀具到工業級的刀具設計;從微細刀具到大型刀具;從小型生產到大型量產;全自動整合;我們的技術可提供您連續生產的效能,我們整體的服務及卓越的技術,恭迎您親自體驗!!

BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 http://www.tool-tool..com / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan

Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting toolaerospace tool .HSS DIN Cutting toolCarbide end millsCarbide cutting toolNAS Cutting toolNAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end milldisc milling cutter,Aerospace cutting toolhss drillФрезерыCarbide drillHigh speed steelMilling cutterCVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) Core drillTapered end millsCVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden FingerPCD V-CutterPCD Wood toolsPCD Cutting toolsPCD Circular Saw BladePVDD End Millsdiamond tool Single Crystal Diamond Metric end millsMiniature end millsСпециальные режущие инструментыПустотелое сверло Pilot reamerFraisesFresas con mango PCD (Polycrystalline diamond) ‘FreseElectronics cutterStep drillMetal cutting sawDouble margin drillGun barrelAngle milling cutterCarbide burrsCarbide tipped cutterChamfering toolIC card engraving cutterSide cutterNAS toolDIN or JIS toolSpecial toolMetal slitting sawsShell end millsSide and face milling cuttersSide chip clearance sawsLong end millsStub roughing end millsDovetail milling cuttersCarbide slot drillsCarbide torus cuttersAngel carbide end millsCarbide torus cuttersCarbide ball-nosed slot drillsMould cutterTool manufacturer.

Bewise Inc. www.tool-tool.com

ようこそBewise Inc.の世界へお越し下さいませ、先ず御目出度たいのは新たな

情報を受け取って頂き、もっと各産業に競争力プラス展開。

弊社は専門なエンドミルの製造メーカーで、客先に色んな分野のニーズ

豊富なパリエーションを満足させ、特にハイテク品質要求にサポート致します。

弊社は各領域に供給できる内容は:

(1)精密HSSエンドミルのR&D

(2)Carbide Cutting tools設計

(3)鎢鋼エンドミル設計

(4)航空エンドミル設計

(5)超高硬度エンドミル

(6)ダイヤモンドエンドミル

(7)医療用品エンドミル設計

(8)自動車部品&材料加工向けエンドミル設計

弊社の製品の供給調達機能は:

(1)生活産業~ハイテク工業までのエンドミル設計

(2)ミクロエンドミル~大型エンドミル供給

(3)小Lot生産~大量発注対応供給

(4)オートメーション整備調達

(5)スポット対応~流れ生産対応

弊社の全般供給体制及び技術自慢の総合専門製造メーカーに貴方のご体験を御待ちしております。

BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.

No comments: