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Contributo significativo alla stabilità di lavorazione di materiali difficili da tagliare

Gli utensili da taglio sono come persone che lavorano dietro le quinte. Lavorano fuori dai riflettori per supportare costantemente il progresso dei prodotti industriali. Questo progresso ha superato alcune pietre miliari importanti. Il materiale degli utensili da taglio è evoluto: dall'acciaio ad alta velocità, detto Haisu in giapponese e introdotto alla fine del XIX secolo, al metallo duro. Poi, molto più tardi, è stato sviluppato il metodo di rivestimento. Si tratta di un progresso significativo che prevede il rivestimento della superficie del metallo duro con uno strato di film ceramico molto duro e sottile. Abbiamo intervistato il personale dell'Innovation Center (ex Central Research Institute) sullo sviluppo tecnologico che ha portato alla realizzazione di utensili in metallo duro con metodo CVD. 

IN PRIMO PIANO

Cos'è la tecnologia di rivestimento CVD? 

Il rivestimento per deposizione chimica da vapore (Chemical Vapor Deposition, CVD) è un processo che riscalda i gas misti a una temperatura compresa tra 800 e 1100°C per depositare ceramiche dure sulla superficie del metallo duro. In primo luogo, è stato sviluppato il carburo di titanio (TiC) come materiale di rivestimento, seguito da nitruro di titanio (TiN), nitruro carbonio di titanio (TiCN), ossido di alluminio (Al2O3) e altri. Attualmente, la tecnologia multistrato basata su strati adesi si sta sviluppando rapidamente ed è diventata la tendenza principale. 

Caratteristiche del rivestimento CVD

• Miglioramento della tecnologia di controllo dell'adesione e dell'orientamento dei cristalli e miglioramento drastico della stabilità e della resistenza all'usura
• Miglioramento significativo della stabilità termica e della resistenza all'usura per il taglio ad alta velocità 
• Conseguimento di un taglio affidabile per una più ampia gamma di lavorazioni

1 : 1970~

L'evoluzione del CVD: dalla nascita alla produzione di massa

Nel 1969 è stato introdotto il primo utensile in metallo duro rivestito (CVD) al mondo. Gli utensili CVD sono realizzati rivestendo la superficie degli utensili in metallo duro con uno strato di film ceramico molto duro e sottile. Il primo utensile CVD è stato introdotto sul mercato da WIDIA, un produttore di metallo duro di lunga esperienza nella Germania Ovest. Pochi mesi dopo, anche il produttore svedese Sandvik ha iniziato a vendere utensili con rivestimento CVD.

Negli anni '70, diversi produttori hanno offerto utensili rivestiti CVD con uno strato Al₂O₃ sopra un rivestimento TiC. Da questi deriva l'attuale rivestimento multistrato CVD. 

Anche Mitsubishi Materials ha iniziato la ricerca sui rivestimenti alla fine degli anni '60 e ha lavorato allo sviluppo della tecnologia CVD sia presso l'ex stabilimento di Tokyo 
a Shinagawa che presso l'ex Central Research Institute a Omiya. Sulla base dei risultati di questa ricerca e sviluppo, Mitsubishi Materials ha cominciato a offrire utensili con rivestimento CVD nel 1971.

Mitsubishi Materials ha dapprima condotto ricerche separate sulla tecnologia di rivestimento per TiC e Al₂O₃, quindi ha esteso la ricerca alla tecnologia di adesione per unire queste due diverse pellicole. Ciò ha portato allo sviluppo di TOUGH-Grip e Super TOUGH-Grip.
Nel frattempo, l'azienda ha iniziato anche lo sviluppo della tecnologia di produzione di massa. Inizialmente, il processo di rivestimento veniva condotto sotto pressione atmosferica elevata. Questa scelta aveva il vantaggio teorico di accelerare la diffusione dei componenti gassosi, consentendo la produzione in grande quantità di pellicole ad alta qualità. Per rendere possibile la produzione su vasta scala, sono state sviluppate attrezzature speciali e tecniche di lavorazione in condizioni di decompressione.

Verso la metà degli anni '70, l'azienda ha ampliato le proprie competenze nel campo dei rivestimenti multistrato utilizzando una tecnologia basata sull'adesione. Questo nuovo approccio ha coinvolto l'uso di composti di titanio con elevate proprietà antiusura e una struttura multistrato di ossido di alluminio chimicamente stabile, soddisfacendo così i requisiti per una lavorazione bilanciata. Ulteriori ricerche mirate all'adesione ad alta intensità di questi due strati hanno confermato che l'utilizzo di TiCO come strato intermedio massimizzava l'adesione. Utilizzando questa tecnologia, l'azienda ha rilasciato il grado U77 nel 1977. 

2 : 1980~

Sviluppo della tecnologia di prevenzione della diffusione di cobalto per migliorare la resistenza all'usura

Il problema successivo era prevenire la diffusione del cobalto contenuto nei substrati. La lavorazione del CVD 
a 1.000°C provoca la diffusione di cobalto. Il cobalto diffuso a partire dai substrati entra nello strato TiCN sovrastante e lo strato in ceramica diventa un materiale composito, costituito da materiali ceramici e metallici (cermet), con conseguente ridotta resistenza all'usura. 

Per risolvere questo problema, abbiamo messo a punto una tecnologia di barriera per prevenire la diffusione del cobalto. Nello specifico, si tratta di un nuovo metodo per utilizzare un gas altamente attivato, l'acetonitrile (CH3CN). Essendo altamente attivato, il CH3CN può produrre rivestimenti a circa 100°C in meno rispetto ai gas CH4 convenzionali. La bassa temperatura riduce significativamente la diffusione del cobalto dai substrati, il che ha permesso di creare uno strato di TiCN con elevata cristallinità e una struttura colonnare. Anche 30 anni dopo il suo sviluppo, questa è rimasta la tecnologia standard.

I principali prodotti che utilizzano questa tecnologia sono le serie UC6010 e UC6025 lanciate nel 1992. Tuttavia, per via della loro eccezionale tecnologia, entrambi i prodotti hanno continuato a riscuotere un grande successo anche dopo il 2000.

3 : 1990~

Sviluppo di un nuovo metodo di produzione rispondente alle esigenze di lavorazione ad alta velocità ed efficienza

Negli anni '90, Mitsubishi Materials si è concentrata sullo sviluppo di una tecnologia per la produzione di rivestimenti Al2O3 ad elevato spessore. Lo strato di Al2O3 è prodotto dalla reazione di AlCl3 e H2O, che è generata da una reazione in fase gassosa tra H2 e CO2. Tuttavia, la velocità di produzione di Al2O3 è estremamente elevata, il che rende estremamente difficile produrre rivestimenti di qualità uniforme.

Nel frattempo, con l'aumentare della necessità di lavorazioni ad alta velocità ed efficienza, è aumentata anche la necessità di rivestimenti in Al2O3 ad elevato spessore. A quel tempo, c'era un modo per aggiungere una quantità estremamente piccola di H2S ai gas reagenti per formare un rivestimento spesso mantenendo una qualità uniforme. Tuttavia, questa tecnologia era stata già brevettata da un concorrente estero. Mitsubishi Materials doveva sviluppare un nuovo metodo. 

Per fare ciò, abbiamo eseguito test ripetuti utilizzando un'ampia varietà di gas, chiarendo al contempo il meccanismo di formazione di un rivestimento ad alto spessore. Alla fine siamo riusciti a garantire un'uniformità qualitativa equivalente a quella ottenuta con l'aggiunta di H2S (brevetto concorrente) utilizzando NO come fonte di ossigeno nell'atmosfera del gas inerte.

4 : 2000~

Verso lo sviluppo di utensili da taglio più duri, più stabili e più resistenti all'usura

Entrando nel 21° secolo, Mitsubishi Materials ha iniziato a migliorare la resistenza all'usura dello strato di Al2O3. Durante la trasformazione termica di k-Al2O3 in una fase metastabile a 1050°C, si forma α-Al2O3 in una fase stabile. Abbiamo quindi scoperto che α-Al2O3 ha un'eccellente resistenza all'usura. Da qui, abbiamo messo a punto una tecnologia per formare un rivestimento controllando la crescita di α-Al2O3 con un orientamento lungo l'asse c. Abbiamo lavorato allo sviluppo della tecnologia che orienta naturalmente i cristalli per migliorarne la durezza. Il risultato è stato la tecnologia Nano Texture, ulteriormente ampliata nella tecnologia Super Nano Texture.

Allo stesso tempo, è proseguito il lavoro sullo sviluppo della tecnologia che prolunga la vita utile dell'utensile aumentando lo spessore di Al2O3, che ha portato ad un aumento dello spessore dei rivestimenti. Il brevetto che abbiamo ottenuto per la serie basata sulla tecnologia di formazione del rivestimento Al2O3 ha portato al consolidamento dellimportante ruolo di Mitsubishi Corporation nel settore. 

Abbiamo iniziato a sviluppare la tecnologia TOUGH-Grip, che ha aumentato l'adesione di TiCN e Al2O3, intorno al 2010. Prima di allora, avevamo già condotto ricerche sulla tecnologia di adesione per questi due rivestimenti mentre lavoravamo separatamente sulla tecnologia di rivestimento per TiC e Al2O3. Nel rivestimento CVD sono stratificati diversi materiali, quindi ciò a cui occorre prestare la massima attenzione durante la formazione di un rivestimento CVD è la creazione di strati sottili a partire dal materiale di base. Un punto importante sono i coefficienti di dilatazione termica che cambiano in base alle differenze nei materiali. La tecnologia TOUGH-Grip espande l'area di adesione dello strato inferiore in TiCN e di quello superiore in Al2O3 attraverso l'affinamento della microstruttura, portando a una migliore adesione e alla prevenzione della delaminazione. 

5 : Future Vision~

Technological development aiming for four to five years from now is key for commercialization in 2030

We are looking at developing an alternative technology for TiCN. The standard TiCN coating has been maturing for over 30 years, and it will be difficult to develop something that exceeds its performance. On the other hand, if we develop new technology, we will be able to establish a firm position in front of other competitors in the industry. We’ve already started research for the development of new technology.

However, it is extremely difficult to predict what the situation will be 10 years from now because it is impossible to imagine what kind of machining will be used in the future. After specifying the parts needed for a finished product, such as an automobile, the tools required to manufacture those parts will be determined.

As the shift from internal combustion engine vehicles to EV proceeds, we’ll see significant change in the cutting tool market.

We also need to consider the potential of new difficult-to-cut materials. Semiconductor devices may also shift from SiC to diamond; therefore, we also need to consider how to manage the shift. If flying automobiles are commercialized, we need to minimize the weight of components. There are so many things to consider for future potential, inclu­ding future components and cutting tools.

We continue taking steps forward every day to achieve breakthroughs for the difficulties encountered.

Looking back over the history of CVD coating technology

Oshika:　When I look at aluminium image data, it’s from the viewpoint of the aluminium ion. When I think about my skin, I see it from the viewpoint of carbon dioxide. Let’s think about the origin of the countless carbon atoms contained in our skin. They may be from 100's of years ago, or passed down from dinosaurs that lived millions of years ago. Considering the potential age of the carbon that composes our body while looking at the data, the images come alive in my mind.

Okude:　 The most important in my work at the Central Research Institute is ensuring that I observe the data very well. When looking at photos of samples, different people notice different things. Under­standing data really well and discovering the differences makes it possible for us to identify the direction we should move in our research. As someone in a leadership position, I feel that passing down such ways of thinking and looking at things to the next generation is an important part of passing down technology. Recent improvements in analytical devices allow us to notice changes that could not be seen before. I would like to continue emphasizing the importance of observing and reviewing things deeply.

Tatsuoka:　What I always keep in mind while conducting basic research is the attempt to discover unknown fields. Originality leads to the development of new technology and products. In regard to CVD technology, whose history goes back more than half a century, I use accumulated knowledge to find new things from my own viewpoint as well as a brand-new viewpoint. The supportive climate of the Central Research Institute makes it possible for me to continue moving forward to develop new technology.