Концевые фрезы с покрытием из нитрида алюминия и титана (AlTiN), нанесенным методом катодно-дугового осаждения
Нитрид титана и алюминия ( TiAlN ) или нитрид алюминия и титана ( AlTiN ; для содержания алюминия более 50%) представляет собой группу метастабильных твердых покрытий, состоящих из азота и металлических элементов алюминия и титана . Это соединение, а также аналогичные соединения (такие как TiN и TiCN ) наиболее часто используются для покрытия станков, таких как концевые фрезы и сверла, для изменения их свойств, таких как повышенная термостойкость и/или износостойкость. Четыре важных состава (содержание металла 100 мас.%) наносятся в промышленных масштабах методами физического осаждения из паровой фазы :
Ti50Al50N (введен в промышленную эксплуатацию компанией CemeCoat (теперь CemeCon) Аахен, ФРГ, группа T. Leydecker около 1989 г.) [1]
Al55Ti45N (введен в промышленную эксплуатацию компанией Metaplas Ionon (теперь Oerlikon), Бергиш-Гладбах, ФРГ, группа J. Vetter около 1999 г.)
Al60Ti40N (внедрён в промышленность компанией Kobe Steel, Кобе, Япония, около 1992 г.)
Al66Ti34N (введен в промышленную эксплуатацию компанией Metaplas (теперь Oerlikon) group J. Vetter около 1996 г.) [2]
Основными причинами, по которым покрытия TiAlN превосходят покрытия из чистого нитрида титана (TiN), считаются:
Повышенная стойкость к окислению при повышенных температурах за счет образования на поверхности защитного слоя оксида алюминия
Повышение твердости свежеосажденных пленок за счет изменения микроструктуры и упрочнения твердого раствора
Упрочнение покрытий при старении при температурах, характерных для эксплуатации режущих инструментов, за счет спинодального распада TiAlN на TiN и кубический AlN [3]
Было показано, что явление упрочнения при старении возникает из-за несоответствия квантово-механической электронной структуры TiN и AlN. [4] [5]
Покрытия в основном наносятся методом катодного дугового осаждения или магнетронного распыления . Несмотря на то, что большинство покрытий TiAlN и AlTiN синтезируются промышленным способом с использованием мишеней из сплавов с определенным процентным содержанием алюминия и титана, покрытия TiAlN можно производить с использованием мишеней из чистого Al и Ti с использованием метода катодного дугового осаждения. Покрытия TiAlN и AlTiN из мишеней из чистого Al и чистого Ti методом катодного дугового осаждения производятся в промышленных масштабах компанией NanoShield PVD Thailand с 1999 года. Используя технологию раздельных мишеней, можно обеспечить большую гибкость в отношении структуры и состава покрытия.
Типичная толщина покрытия составляет около (1–7) мкм.
Одним из коммерческих типов покрытия, используемых для повышения износостойкости инструментов из карбида вольфрама, является AlTiN-Saturn от Sulzer Metaplas. [6]
Покрытия иногда легируются по крайней мере одним из элементов: углеродом , кремнием , бором , кислородом и иттрием, чтобы улучшить выбранные свойства для конкретных применений. Эти покрытия также используются для создания многослойных систем. Например, их можно использовать в сочетании с TiSiXN, как те, которые используются в семействе покрытий Mpower компании Sulzer Metaplas. Упомянутые выше типы покрытий применяются для защиты инструментов, включая специальные инструменты для медицинских применений. Они также используются в качестве декоративной отделки.
Одним из производных технологии покрытия TiAlN является нанокомпозит TiAlSiN (титан-алюминий-кремниевый нитрид), который был разработан компанией SHM в Чешской Республике и в настоящее время продается компанией Platit из Швейцарии. Нанокомпозитное покрытие TiAlSiN демонстрирует сверхтвердую твердость и исключительную высокотемпературную обрабатываемость.
Ссылки
^ Лейендекер, Т.; Леммер, О.; Эссер, С.; Эбберинк, Дж. (1991). «Разработка покрытия PVD TiAlN в качестве коммерческого покрытия для режущих инструментов». Технология поверхностей и покрытий . 48 (2): 175–178. doi :10.1016/0257-8972(91)90142-J.
^ Vetter, J (1995). «Вакуумно-дуговые покрытия для инструментов: потенциал и применение». Surface and Coatings Technology . 76–77: 719–724. doi :10.1016/0257-8972(95)02499-9.
^ Майрхофер, Пол Х.; Хёрлинг, Андерс; Карлссон, Леннарт; Сьёлен, Джейкоб; Ларссон, Томми; Миттерер, Кристиан; Хультман, Ларс (2003). «Самоорганизующиеся наноструктуры в системе Ti–Al–N». Письма по прикладной физике . 83 (10): 2049–2051. Бибкод : 2003АпФЛ..83.2049М. дои : 10.1063/1.1608464.
^ Alling, B.; Ruban, A.; Karimi, A.; Peil, O.; Simak, S.; Hultman, L.; Abrikosov, I. (2007). "Термология смешивания и разложения c-Ti1−xAlxN из расчетов из первых принципов". Physical Review B. 75 ( 4): 045123. Bibcode : 2007PhRvB..75d5123A. doi : 10.1103/PhysRevB.75.045123.
^ Music, D.; Geyer, RW; Schneider, JM (2016). «Последний прогресс и новые направления в теории функционала плотности на основе проектирования твердых покрытий». Surface & Coatings Technology . 286 : 178–190. doi :10.1016/j.surfcoat.2015.12.021.
