AMME 2003 12th Struktura przeciwzuyciowych powłok otrzymywanych w procesie CAE na spiekanych materiałach narzdziowych * L.A. Dobrzaski #, K. Gołombek #, E. Hajduczek Zakład Technologii Procesów Materiałowych i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Politechnika lska ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice, Poland W pracy zbadano struktur powłok typu TiN+(Ti,Al,Si)N+TiN i TiN+multi(Ti,Al,Si)N +TiN naniesionych w procesie łukowego odparowania katodowego (CAE) na podłou z wglików spiekanych i cermetali narzdziowych z wykorzystaniem skaningowego (SEM) i transmisyjnego (TEM) mikroskopu elektronowego. Wykonano równie badania naniesionych powłok na dyfraktometrze rentgenowskim oraz w spektrometrze optycznym wyładowania jarzeniowego. 1. WPROWADZENIE Jednym z najintensywniej rozwijajcych si kierunków bada, stymulowanych rosncymi wymaganiami uytkowymi maszyn i urzdze, umoliwiajcych wyran popraw własnoci spiekanych materiałów narzdziowych jest nanoszenie na nich twardych przeciwzuyciowych powłok opartych na wglikach, azotkach lub tlenkach metali przejciowych. Due oczekiwania naley wiza z powłokami wielowarstwowymi wytwarzanymi w wyniku nanoszenia na siebie kolejno warstw rónych materiałów, najczciej powłok o rónych własnociach, a take powłok otrzymywanych na bazie metastabilnych roztworów stałych wtórnych o wieloskładnikowym i wielofazowym składzie. Powłoki te tworzc strefy przejciowe (dyfuzyjne lub pseudodyfuzyjne) midzy sob powinny gwarantowa płynne przejcie midzy czsto odmiennymi własnociami. Mimo bardzo duego zainteresowania, jakie obserwuje si ze strony licznych orodków przemysłowych i laboratoriów naukowych, wci pozostaje sporo niewyjanionych aspektów dotyczcych procesu wytwarzania powłok, w tym równie wpływu warunków procesu na ich własnoci. Ponadto, kade zestawienie materiał podłoa - rodzaj powłoki - metoda jej otrzymywania, wymaga okrelenia własnoci pokrytego materiału i ustalenie na tej podstawie zakresu moliwych jego zastosowa. Badania prowadzone w tym kierunku skupiaj si *Autorzy uczestnicz w realizacji projektu CEEPUS Nr PL-013/03-04 kierowanego przez Prof. L.A. Dobrzaskiego. # Cz bada wykonano w ramach projektu COAT-CUT pt. New generation PVD coatings on tools for dry on high speed cutting processes realizowanego w ramach współpracy midzy rzdem Polski i Słowenii, współkierowanego przez prof. L.A. Dobrzaskiego i prof. J. Kopa.
220 L.A. Dobrzaski, K. Gołombek, E. Hajduczek midzy innymi na poszukiwaniu nowych złoonych powłok zarówno wieloskładnikowych jak i wielowarstwowych oraz dodatku nowych pierwiastków do stosowanych od wielu lat kombinacji powłok np. krzemu lub wanadu do TiAlN. Std w niniejszej pracy badaniami objto cermetale narzdziowe i wgliki spiekane pokrywane metod PVD w procesie łukowego odparowania katodowego (CAE) złoonymi wielowarstwowymi powłokami III generacji typu TiN+(Ti,Al,Si)N+TiN i TiN+multi(Ti,Al,Si)N+TiN [1-6]. 2. PRZEBIEG BADA Badania wykonano na wglikach spiekanych i cermetalach narzdziowych pokrytych metod PVD w procesie (CAE Cathodic Arc Evaporation) fizycznego osadzania warstw z fazy gazowej przeciwzuyciowymi powłokami wielowarstwowymi typu TiN+(Ti,Al,Si)N+TiN i TiN+multi(Ti,Al,Si)N+TiN. Charakterystyk badanych materiałów przedstawiono w tablicy 1. Tablica 1 Charakterystyka badanych spiekanych materiałów narzdziowych Typ materiału Powłoka Grubo powłoki, µm Wglik spiekany 890 Wglik spiekany A30N Cermetal CM Cermetal T130A TiN+(Ti,Al,Si)N+TiN TiN+multi(Ti,Al,Si)N+TiN 3,5-4,5 Obserwacji powierzchni oraz struktury wytworzonych powłok wykonano na przełomach poprzecznych w skaningowym mikroskopie elektronowym (SEM) DSM 940 firmy Opton oraz w XL-30 firmy PHILIPS. Do uzyskania obrazów przełomów wykorzystano detekcj elektronów wtórnych (Secondary Electrons SE) oraz elektronów wstecznie rozproszonych (Back Scattered Electrons BSE) o napiciu przyspieszajcym w zakresie 15-20 kv i maksymalnych powikszeniach 10000x. Badania dyfrakcyjne oraz struktury cienkich folii wykonano w mikroskopie elektronowym przewietleniowym JEOL 3010CX, przy napiciu przyspieszajcym 300 kv i maksymalnych powikszeniach 250 000x. Dyfraktogramy z transmisyjnego mikroskopu elektronowego rozwizywano z wykorzystaniem programu komputerowego Index. Skład fazowy badanych powłok okrelono na dyfraktometrze rentgenowskim DRON 2.0, stosujc odfiltrowane promieniowanie lampy z anod kobaltow, zasilan napiciem 40 kv, przy nateniu prdu arzenia 20 ma. Pomiary wykonano w zakresie ktowym 2θ: 30 115. Analiz składu chemicznego w funkcji odległoci od powierzchni próbki, tzw. analiz profilow oraz zmiany stenia w strefie przejciowej midzy powłok i materiałem podłoa oceniono na podstawie bada w spektrometrze optycznym wyładowania jarzeniowego GDS- 750A QDP firmy Leco Instruments. W trakcie bada ustalono nastpujce warunki pracy lampy Grimma spektrometru: rednica wewntrzna lampy 4 mm, napicie zasilajce lamp 700 V, prd lampy 20 ma, cinienie robocze 100 Pa, czas analizy 300 s.
Struktura przeciwzuyciowych powłok otrzymywanych w procesie CAE... 221 3. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADA Powłoki typu TiN+(Ti,Al,Si)N+TiN i TiN+multi(Ti,Al,Si)N+TiN naniesione zarówno na podłoe z cermetali narzdziowych jak i z wglików spiekanych charakteryzuj si struktur bez porów i niecigłoci oraz szczelnym przyleganiem do siebie oraz całej wielowarstwowej powłoki do podłoa (rys. 1). Obserwowana kolumnowa struktura warstwy TiN odpowiada II strefie modelu Thorntona, natomiast w przypadku warstwy (Ti,Al,Si)N strefie IV (T) i charakteryzuje si bardzo drobnoziarnist, gst pozbawion porów i niecigłoci budow. Wystpowanie struktury typu IV (T) determinowane jest stosowaniem procesu z udziałem plazmy, wpływajcego na krystalizacj poszczególnych warstw złoonej powłoki. Obserwacje morfologii powierzchni wykazuj niejednorodno zwizan z wystpowaniem na powierzchni powłoki licznych mikroczstek w kształcie kropel (rys. 2). Niektóre z mikroczstek przyjmuj wydłuony kształt, spowodowany prawdopodobnie ich rozpryskiwaniem w wyniku uderzania o powierzchni podłoa cermetalu lub wglika spiekanego podczas procesu CAE. Rys. 1. Powierzchnia przełomu powłoki TiN+multiTiAlSiN+TiN naniesionej na podłoe z wglika spiekanego typu 890 2 µm 5 µm Rys. 2. Topografia powierzchni powłoki TiN+multiTiAlSiN+TiN naniesionej na podłoe z wglika spiekanego typu 890 kev Rys. 4. Wykres energii rozproszonego promieniowania rentgenowskiego z mikroobszaru kropli powstałej na powłoce TiN+multiTiAlSiN+TiN
222 L.A. Dobrzaski, K. Gołombek, E. Hajduczek Ponadto zaobserwowano zagłbienia powstajce w wyniku wypadania mikroczstek tytanu ju po zakoczeniu procesu nanoszenia powłoki. Pojawianie si mikroczastek na powierzchniach badanych powłok wiza naley z charakterem samego procesu PVDkatodowego odparowania łukowego CAE, czyli osadzaniu si kropel czystego tytanu pochodzcych z rozpylanej tarczy. Badania składu chemicznego mikroczstek w kształcie kropli przy uyciu spektrometru energii rozproszonego promieniowania rentgenowskiego EDS wskazuj, e we wntrzu mikroczstek przewaa tytan, co sugeruje, e s to krople ciekłego metalu wybite z tarczy tytanowej, które osadzaj si i krzepn na powierzchni podłoa. Badania cienkich folii z powłok potwierdzaj, e zgodnie z przyjtymi załoeniami naniesiono na podłoe z wglików spiekanych i cermetali powłoki zawierajce fazy typu TiN. Ze wzgldu na izomorficzno faz TiN oraz (Ti,Al,Si)N niemoliwe jest rozrónienie dyfrakcyjne kadej z tych faz. Struktur powłok naniesionych na wgliki spiekane i cermetale narzdziowe przedstawiono na rysunku 3. Wewntrz powłok zarówno TiN+multi(Ti,Al,Si)N +TiN jak i TiN+(Ti,Al,Si)N+TiN stwierdzono równie wystpowanie monokryształów tytanu. Wystpowanie monokryształów tytanu w powłoce wynika z charakteru samego procesu nanoszenia powłok (katodowego odparowania łukowego). a) b) 50 nm c) d) 50 nm TiN 111 200 220 311 222 400 Rys. 3. a) Struktura cienkiej folii z powłoki TiN+multiTiAlSiN+TiN naniesionej na wglik spiekany typu 890, b) pole ciemne z refleksu (111) TiN, c) dyfraktogram z obszaru jak na rysunku a, d) rozwizanie dyfraktogramu z rysunku c 420 422
Struktura przeciwzuyciowych powłok otrzymywanych w procesie CAE... 223 800 800 Intensywno, jednostki umowne 700 600 500 400 300 200 TiN (111) TiN (200) TiN (220) TiN (311) TiN (222) Intensywno, jednostki umowne 700 600 500 400 300 200 TiN (111) Ti(C,N) (200) TiN (200) Ti (102) TiN (220) TiC (311) TiN (311) TiN (222) 100 100 0 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 Kt odbicia, 2θ Rys. 4. Dyfraktogram rentgenowski powłoki TiN+(Ti,Al,Si)N+TiN naniesionej na wglik spiekany typu 890 0 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 Kt odbicia, 2θ Rys. 5. Dyfraktogram rentgenowski powłoki TiN+(Ti,Al,Si)N+TiN naniesionej na cermetal typu CM Metodami rentgenowskiej jakociowej analizy fazowej wykazano, e zgodnie z załoeniami na powierzchni badanych cermetali i wglików spiekanych wytworzono powłoki azotku tytanu TiN, w tym najpewniej złoonego azotku (Ti,Al,Si)N (rys. 4, 5).Ponadto stwierdzono wystpowanie refleksów pochodzcych od podłoa cermetalu oraz wglików spiekanych. Rozrónienie faz TiN oraz (Ti,Al,Si)N metodami dyfrakcyjnymi nie jest moliwe, ze wzgldu na izomorficzno tych faz, gdy w istocie (Ti,Al,Si)N jest roztworem stałym wtórnym na bazie azotku tytanu TiN. Analiz profilow składu chemicznego w funkcji odległoci od powierzchni próbki oraz zmiany stenia poszczególnych pierwiastków w strefie przejciowej midzy powłokami TiN+multi(Ti,Al,Si)N +TiN jak i TiN+(Ti,Al,Si)N+TiN, a materiałem podłoa wglikiem spiekanym i cermetalem oceniono na podstawie bada w spektrometrze optycznym wyładowania jarzeniowego GDOES. Badania te potwierdzaj obecno zarówno tytanu, aluminium, krzemu, jak i azotu w badanej powłoce oraz składników podłoa midzy innymi tytanu, niklu, kobaltu, wgla i azotu (rys. 6). Stenie składników, atom. % Głboko analizy, µm Rys. 6. Zmiany stenia składników powłoki TiN+TiAlSiN+TiN materiału podłoa z cermatalu narzdziowego typu CM analizowanych w spektrometrze GDOES
224 L.A. Dobrzaski, K. Gołombek, E. Hajduczek 4. WNIOSKI Na podstawie wykonanych bada metalograficznych (SEM), stwierdzono, e powłoki TiN+multi(Ti,Al,Si)N +TiN i TiN+(Ti,Al,Si)N+TiN wytworzone w procesie łukowego odparowania katodowego na podłou zarówno z wglików spiekanych jak i cermetali narzdziowych charakteryzuj si warstwowym ułoeniem, szczelnym przyleganiem poszczególnych warstw do siebie i całej złoonej wielowarstwowej powłoki do podłoa bez widocznych porów, pkni i niecigłoci. Naniesione powłoki systemów TiN+multi(Ti,Al,Si)N +TiN jak i TiN+(Ti,Al,Si)N+TiN spełniaj zatem oczekiwania zwizane z powłokami wielowarstwowymi wytwarzanymi w wyniku nanoszenia na siebie kolejno warstw rónych materiałów, najczciej powłok o rónych własnociach, a take powłok otrzymywanych na bazie metastabilnych roztworów stałych wtórnych o wieloskładnikowym i wielofazowym składzie, co kwalifikuje je do wykorzystania w proekologicznych procesach skrawania na sucho bez stosowania obróbkowych cieczy chłodzco-smarujcych oraz do szerokich zastosowa przemysłowych na narzdziach skrawajcych. BIBLIOGRAFIA 1. L.A. Dobrzaski, K. Gołombek, J. Kopa, M. Sokovi, Structure and properties of TiN/(Ti,Al,Si)N/TiN PVD coatings on cemented carbides and cermets, Mat. Sci. For., Vols. 437-438 (2003) 41-44. 2. L.A. Dobrzaski, K. Gołombek, M. Sokovi, J. Mat. Proc. Techn., 2002, (w druku) 3. L.A. Dobrzaski, K. Gołombek, J. Kopa, M. Sokovi, Properties of the cemented carbides and tool cermets coated with hard surface layers, 16 th Brasilian Congress of Mechanical Engineering COBEM. Uberlandia (2001) Brasil. 4. M. Diserens, J. Patscheider, F. Levy, Surf. and Coat. Tech., 120-121 (1999) 158. 5. J. Musil, Surf. and Coat. Tech., 125 (2000) 322. 6. B. Navinšek, Hard coating of cutting tools, Institute of Jože Stefan, Ljubljana, 1993 7. A. Niederhofer, P. Nesládek, H.D. Männling, K. Moto, S. Vepek, M. Jilek, Surf. and Coat. Tech., 120-121 (1999) 173. 8. W.D. Sproul, Surf. and Coat. Tech., 81 (1996) 1. 9. C. Subramanian, K.N. Strafford: Wear, 165, 1993, 85. 10. M. Wysiecki, Nowoczesne materiały narzdziowe, WNT, Warszawa, 1997.