MMC Magazine

Znaczący udział w zapewnieniu stabilności obróbki materiałów trudnoskrawalnych

Narzędzia skrawające to niezbędne wyposażenie każdego zakładu. Zawsze przyczyniały się one do ewolucji produktów przemysłowych. Można wyróżnić kilka ważnych etapów tego rozwoju. Narzędzia wykonywano z różnych materiałów, począwszy od stali szybkotnącej (Haisu po japońsku), którą wprowadzono pod koniec XIX wieku, aż po węgliki spiekane. Potem, znacznie później, opracowano metodę pokrywania, która polegała na naniesieniu na powierzchni węglika spiekanego bardzo twardej, cienkiej warstwy powłoki ceramicznej. 
O historię tego postępu zapytaliśmy pracowników Centrum Innowacji (dawniej Centralny Instytut Badawczy), w którym opracowano narzędzia z węglików spiekanych z powłoką CVD. 

Z BLISKA

Co to jest technologia pokrywania CVD? 

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) to proces, w którym podgrzewa się mieszaninę gazów do temperatury 800 do 1100 °C celem naniesienia twardej ceramiki na powierzchnię węglika spiekanego. Pierwszym materiałem użytym na powłokę był węglik tytanu (TiC), następnie azotek tytanu (TiN), węgloazotek tytanu (TiCN), tlenek glinu (Al2O3), a potem inne. Aktualnie główny, coraz bardziej popularny trend, to technologia powłok wielowarstwowych z warstwami pośrednimi zapewniającymi silną przyczepność. 

Właściwości powłok CVD 
• Zwiększona przyczepność, technologia kontrolowania orientacji kryształów, radykalne zwiększenie stabilności i odporności na ścieranie
• Znaczne zwiększenie stabilności termicznej i odporności na ścieranie podczas obróbki z dużymi prędkościami 
• Niezawodna obróbka w szerszym zakresie aplikacji

1 : 1970~

Opracowanie technologii produkcji masowej wykorzystującej pokrywanie w warunkach obniżonego ciśnienia

Pierwsze narzędzie z węglika spiekanego pokrywanego metodą CVD wprowadzono w 1969 r. Metoda CVD polega na naniesieniu bardzo twardej, cienkiej warstwy ceramiki na powierzchni narzędzia z węglika spiekanego. Pierwsze narzędzie z powłoką CVD zostało wprowadzone na rynek przez firmę WIDIA - uznanego producenta węglików spiekanych z Niemiec Zachodnich. Kilka miesięcy później, szwedzka firma Sandvik również rozpoczęła sprzedaż narzędzi pokrywanych metodą CVD.

W latach 70-tych XX w. kilku producentów wprowadziło na rynek narzędzia z powłoką Al2O3 naniesioną na powierzchni powłoki TiC. Są to protoplaści współczesnych powłok CVD. 

Pod koniec lat 60-tych XX w. również firma Mitsubishi Materials rozpoczęła prace nad opracowaniem technologii CVD i to zarówno w zakładzie w Tokio Shinagawa, jak i w byłym Centralnym Instytucie Badawczym w Omiya. W oparciu o wyniki prac badawczo-rozwojowych, w 1971 r. na rynku pojawiły się pierwsze narzędzia pokrywane metodą CVD wyprodukowane przez Mitsubishi Materials.

Początkowo w Mitsubishi Materials prace nad technologią pokrywania warstwą TiC i Al2O3 prowadzono odrębnie, a potem badania rozszerzono o technologię adhezji wiążącą te dwie różne powłoki ze sobą. Doprowadziło to do opracowania technologii TOUGH-Grip i Super TOUGH-Grip. 

W międzyczasie firma rozpoczęła opracowywanie technologii masowej produkcji. Początkowo powłoka była wykonywana pod zwiększonym ciśnieniem atmosferycznym. Teoretycznie dyfuzja składników gazu jest szybsza w warunkach obniżonego ciśnienia, co umożliwia masową produkcję wysokiej jakości cienkowarstwowych powłok. Firma stworzyła technologię masowej produkcji dzięki unikatowemu urządzeniu i opanowaniu procesu produkcji w warunkach obniżonego ciśnienia.

W połowie lat 70-tych XX w. firma prowadziła badania zjawisk adhezji powłok wielowarstwowych. Warunki niezbędne do obróbki skrawaniem najlepiej spełniały kompozyty Ti o wysokiej odporności na ścieranie w połączeniu z chemicznie stabilnym Al2O3 o wielowarstwowej strukturze. Badania adhezji tych dwóch warstw potwierdziły, że maksymalne siły adhezji występują wtedy, gdy zastosuje się TiCO jako warstwę pośrednią. Wykorzystując tę technologię, w 1977 r. firma wprowadziła na rynek gatunek U77. 

2 : 1980~

Opracowanie technologii blokady dyfuzji kobaltu celem dalszego zwiększenia odporności na ścieranie

Innym problemem było uniemożliwienie dyfuzji kobaltu zawartego w podłożach. Proces nanoszenia powłok CVD przebiega w temperaturze 1000°C i powoduje dyfuzję kobaltu. Dyfuzja kobaltu z podłoża do warstwy TiCN leżącej powyżej powoduje, że w warstwie ceramiki tworzy się materiał kompozytowy złożony z materiałów ceramicznych i metalowych (cermetal), co powoduje zmniejszenie odporności na ścieranie. 

Aby to wyeliminować, stworzyliśmy barierę technologiczną blokującą proces dyfuzji kobaltu. Jest to nowa metoda, wykorzystująca silnie aktywowany gaz, acetonitryl (CH3CN). W stanie silnie aktywowanym CH3CN może wytwarzać powłoki w temperaturze ok. 100°C niższej niż konwencjonalnie z użyciem gazowego CH4. Niższa temperatura znacząco zmniejsza dyfuzję kobaltu z podłoża, co umożliwiło tworzenie warstwy 

TiCN o wysokiej krystaliczności i kolumnowej strukturze. Technologia ta pozostała standardem nawet 30 lat po jej opracowaniu.

Tę technologię wykorzystano do wytwarzania materiałów serii UC6010 i UC6025, które pojawiły się na rynku w 1992 r. Jednak dzięki wyjątkowej technologii, oba produkty nadal cieszyły się dużym powodzeniem nawet po 2000 roku.

3 : 1990~

Nowa metoda produkcji opracowana w odpowiedzi na zapotrzebowanie na wysokowydajną, szybkościową obróbkę, odpowiednik opatentowanej technologii konkurencyjnej

W latach 90-tych XX w. firma Mitsubishi Materials koncentrowała swe prace na opracowaniu technologii wytwarzania grubych powłok Al2O3. Warstwa Al2O3 powstaje podczas reakcji AlCl3 i H2O powstającej w wyniku reakcji gazowego H2 i CO2. Jednak szybkość powstawania Al2O3 jest bardzo duża, przez co niezwykle trudne jest wytworzenie powłoki o jednakowej jakości.

W międzyczasie, w miarę wzrostu zapotrzebowania rynku na obróbkę szybkościową i wysokowydajną, wzrósł także popyt na grubowarstwową powłokę Al2O3. Przez dodanie niewielkiej ilości H2S do gazów reakcyjnych można było wytworzyć grubą powłokę, przy zachowaniu jednocześnie jednolitej jakości. Technologia ta była jednak opatentowana przez konkurenta zagranicznego. Firma Mitsubishi Materials była więc zmuszona do opracowania nowej metody. 

W tym celu przeprowadziliśmy wielokrotne testy przy użyciu wielu różnych gazów, wyjaśniając przy tym mechanizm tworzenia się grubej powłoki.  W końcu udało nam się zapewnić jednakową jakość, jak po dodaniu H2S (co opatentował konkurent), wykorzystując NO jako źródło tlenu w atmosferze gazu obojętnego.

4 : 2000~

Prace nad opracowaniem twardszych, bardziej stabilnych i bardziej odpornych na ścieranie narzędzi skrawających

Z początkiem XXI w. firma Mitsubishi Materials rozpoczęła prace nad zwiększeniem odporności na ścieranie warstwy Al2O3. W trakcie termicznej przeróbki k-Al2O3 na fazę metastabilną w temperaturze 1050°C, tworzy się stabilna faza α-Al2O3. Ustaliliśmy, że faza α-Al2O3 posiada doskonałą odporność na ścieranie. Korzystając z tego odkrycia, opracowaliśmy technologię tworzenia powłoki poprzez kontrolowanie wzrostu fazy α-Al2O3 o orientacji w osi c. Pracowaliśmy nad opracowaniem technologii, która w naturalny sposób orientuje kryształy w taki sposób, aby uzyskać większą twardość. Tak powstała technologia Nano Texture, która następnie rozwinęliśmy do technologii Super Nano Texture.

Jednocześnie kontynuowane były prace nad stworzeniem technologii wydłużającej trwałość narzędzia poprzez zwiększenie grubości warstwy Al2O3, co doprowadziło do zwiększenia grubości powłok. Z chwilą uzyskania patentu na technologię otrzymywania serii tego typu powłok Al2O3 Mitsubishi Corporation zdobyła silną pozycję w branży i utrzymuje ją do dziś dnia. 

Około roku 2010 rozpoczęliśmy prace nad technologią TOUGH-Grip, zwiększającą adhezję TiCN do Al2O3. Wcześniej prowadziliśmy już badania nad technologią adhezji dla obu tych powłok, osobno jednak nad technologią dla powłok TiC i Al2O3. Podczas tworzenia powłok CVD nakładanych jest kilka warstw różnych materiałów, ale największą uwagę należy zwrócić na drobnoziarnistą strukturę materiału podłoża. Ważną rolę odgrywają różne wartości współczynników rozszerzalności cieplnej różnych materiałów. Udoskonalona poprzez zastosowanie technologii TOUGH-Grip drobniejsza mikrostruktura zapewnia większą siłę adhezji dzięki większej powierzchni przylegania górnej warstwy Al2O3 do dolnej warstwy TiCN, co zapobiega rozwarstwianiu. 

5 : Wizja przyszłości ~

Dla komercjalizacji w 2030 r. kluczowe znaczenie ma postęp techniczny, który dokona się w perspektywie czterech, pięciu lat

Podejmujemy prace nad technologią alternatywną dla TiCN. Po ponad 30 latach na rynku, standardowa powłoka TiCN jest już na tyle dojrzała, że trudno będzie opracować coś o lepszych parametrach. Z drugiej strony, jeśli opracujemy nową technologię, ugruntujemy naszą pozycję jako jeden z liderów w branży. Już rozpoczęliśmy prace badawcze nad opracowaniem nowej technologii. 

Jednak niezwykle trudno jest prognozować, jak będzie wyglądać sytuacja za 10 lat, ponieważ nie można przewidzieć, jakie rodzaje obróbki będą stosowane w przyszłości. Po określeniu niezbędnych części gotowego wyrobu, np. samochodu, dokonuje się doboru narzędzi niezbędnych do ich wykonania. 

W miarę przechodzenia od pojazdów z silnikami spalinowymi na pojazdy elektryczne,  będziemy świadkami znacznych zmian na rynku narzędzi skrawających. 

Musimy wziąć także pod uwagę nowe materiały trudnoskrawalne. W urządzeniach półprzewodnikowych może dokonać się przejście z SiC na diament, dlatego warto zastanowić się, jak zareagować na tę zmianę. Jeśli latające samochody zostaną skomercjalizowane, musimy zminimalizować wagę komponentów. Istnieje jeszcze wiele innych czynników, które należy uwzględnić, w tym przyszłe komponenty i narzędzia skrawające.

Każdego dnia podejmujemy wszelkie działania, aby z sukcesem przełamywać napotkane trudności.

Spojrzenie wstecz na historię technologii pokrywania CVD

Oshika:　Kiedy patrze na dane obrazu aluminium, jest to z punktu widzenia jonu aluminium. Gdy myślę o swojej skórze, patrzę na nią z punktu widzenia dwutlenku węgla. Pomyślmy, skąd pochodzą niezliczone atomy węgla zawarte w naszej skórze. Mogą pochodzić sprzed stu lat a może zostały przekazane przez dinozaury żyjące miliony lat temu. Zastanawiając się, jaki jest potencjalny wiek węgla, z którego składa się nasze ciało i patrząc na dane, takie obrazy mam przed oczyma. 

Okude:　 Moja praca w Centralnym Instytucie Badawczym polega głównie na dokładnej analizie danych. Oglądając fotografie próbek, różni ludzie zwracają uwagę na różne rzeczy. Właściwe zrozumienie danych i identyfikacja różnic pozwalają nam określać kierunek, który powinniśmy przyjąć w naszych badaniach. Jako osoba na stanowisku kierowniczym uważam, że przekazywanie takiego sposobu myślenia następnemu pokoleniu jest ważną częścią przekazywania technologii młodym. Najnowsze udoskonalenia aparatury analitycznej pozwalają nam zauważyć zmiany, których nie byliśmy w stanie zauważyć wcześniej. Pragnę zawsze podkreślać znaczenie dogłębnej obserwacji i analizy otaczających zjawisk.

Tatsuoka:　To, o czym zawsze pamiętam prowadząc badania podstawowe, to próba odkrywania nieznanego. Opracowanie nowych produktów i technologii nie byłoby możliwe bez kreatywności. W przypadku technologii CVD, której historia liczy ponad pół wieku, odkrywając nowe rzeczy wykorzystuję dotychczas zgromadzoną wiedzę tak z własnego, ale także z całkowicie nowego punktu widzenia. Wspierający klimat w Centralnym Instytucie Badawczym sprzyja postępom w pracy nad nowymi technologiami.