Majalah MMC

Berkontribusi secara signifikan terhadap pemesinan yang stabil pada material yang sulit dipotong

Perkakas pemotong ibarat orang yang bekerja di balik layar. Mereka bekerja tanpa sorotan untuk terus mendukung kemajuan produk industri. Kemajuan ini telah melewati beberapa tonggak penting. Material perkakas pemotong telah berkembang dari baja berkecepatan tinggi, yang disebut Haisu dalam bahasa Jepang; diperkenalkan pada akhir abad ke-19, menjadi karbida semen. Kemudian, metode pelapisan dikembangkan dan ini merupakan kemajuan signifikan dengan melapisi permukaan karbida semen dengan lapisan film keramik yang sangat keras dan tipis. Kami mewawancarai staf Pusat Inovasi (mantan Lembaga Penelitian Pusat) tentang pengembangan teknologi yang menciptakan perkakas karbida semen menggunakan metode CVD.

JARAK DEKAT

Apa itu teknologi pelapisan CVD?

Pelapisan deposisi uap kimia (CVD) adalah proses yang memanaskan gas campuran hingga 800 hingga 1100 derajat C untuk mengendapkan keramik keras pada permukaan karbida yang _disemen. Pertama, titanium karbon (TiC) dikembangkan sebagai bahan pelapis, diikuti oleh titanium nitrida (TiN), titanium karbon nitrida (TiCN), aluminium oksida (_Al2O3) dan lainnya. Saat ini, teknologi pelapisan ganda menggunakan lapisan terikat berkembang pesat dan telah menjadi tren utama.

Karakteristik Pelapisan CVD
• Meningkatkan teknologi pengontrolan adhesi dan orientasi kristal dan secara drastis meningkatkan stabilitas dan ketahanan aus
• Secara signifikan meningkatkan stabilitas termal dan ketahanan aus untuk pemotongan kecepatan tinggi
• Mencapai pemotongan yang andal untuk berbagai jenis pemesinan

Bagian 1: 1970~

Membangun teknologi produksi massal menggunakan pelapisan dekompresi

Pada tahun 1969, alat karbida semen berlapis (CVD) pertama di dunia diperkenalkan. Alat CVD dibuat dengan melapisi permukaan alat karbida semen dengan lapisan film keramik yang sangat keras dan tipis. Alat CVD pertama diperkenalkan ke pasaran oleh WIDIA, produsen karbida semen yang sudah lama berdiri di Jerman Barat. Beberapa bulan kemudian, produsen Swedia Sandvik, juga mulai menjual alat berlapis CVD.

Pada tahun 1970_-an, beberapa produsen merilis peralatan CVD dengan lapisan _Al2O3 di atas lapisan TiC. Ini adalah jenis asli dari lapisan multilapis CVD masa kini.

Mitsubishi Materials juga mulai meneliti pelapis pada akhir tahun 1960-an, dan mengerjakan pengembangan teknologi CVD di bekas Pabrik Tokyo di Shinagawa dan bekas Institut Penelitian Pusat di Omiya. Berdasarkan hasil penelitian dan pengembangan ini, Mitsubishi Materials merilis peralatan berlapis CVD pada tahun 1971.

Mitsubishi Materials pertama kali melakukan penelitian pada teknologi pelapisan untuk TiC dan _Al2O3 secara terpisah, dan kemudian memperluas penelitian ke teknologi adhesi untuk merekatkan kedua lapisan film yang berbeda ini. Teknologi adhesi ini menghasilkan pengembangan TOUGH-Grip dan Super TOUGH-Grip_.​

Sementara itu, Perusahaan juga mulai mengembangkan teknologi produksi massal. Pelapisan awalnya dilakukan di bawah tekanan atmosfer yang meningkat. Secara teoritis, difusi komponen gas dipercepat di bawah kondisi dekompresi, yang memungkinkan untuk memproses sejumlah besar film berkualitas tinggi. Perusahaan membangun teknologi produksi massal melalui pengembangan peralatan yang luar biasa dan teknologi pemrosesan dekompresi.

Perusahaan mengerjakan pelapisan multilapis menggunakan teknologi adhesi pada pertengahan tahun 1970_-an. Senyawa Ti dengan ketahanan aus yang tinggi dan struktur multilapis _Al2O3 yang stabil secara kimia memenuhi persyaratan yang dibutuhkan untuk pemesinan dengan cara yang seimbang. Penelitian tentang adhesi intensitas tinggi dari kedua lapisan ini menegaskan bahwa penggunaan lapisan TiCO2 sebagai lapisan tengah memaksimalkan adhesi. Dengan menggunakan teknologi ini, Perusahaan merilis U77 pada tahun 1977.

Bagian 2: 1980~

Pengembangan teknologi pencegahan difusi kobalt untuk lebih meningkatkan ketahanan aus

Masalah berikutnya adalah mencegah difusi kobalt yang terkandung dalam substrat. Pemrosesan CVD pada suhu 1000 derajat C menyebabkan difusi kobalt. Kobalt yang terdifusi dari substrat masuk ke lapisan TiCN di atasnya, dan lapisan keramik menjadi material komposit yang terdiri dari material keramik dan logam (cermet), sehingga mengurangi ketahanan aus.

Untuk mengatasi hal ini, kami membuat teknologi penghalang untuk mencegah difusi kobalt. Secara khusus, ini adalah metode baru menggunakan gas yang sangat aktif, asetonitril (CH ₃ CN). Karena sangat aktif, CH ₃ CN dapat menghasilkan lapisan pada suhu sekitar 100 derajat C lebih rendah daripada gas CH ₄ konvensional. Suhu rendah secara signifikan mengurangi difusi kobalt dari substrat, yang memungkinkan terciptanya lapisan TiCN dengan kristalinitas tinggi dan struktur kolom. Ini tetap menjadi teknologi standar bahkan 30 tahun setelah pengembangannya.

Produk utama yang menggunakan teknologi ini adalah seri UC6010 dan UC6025 yang diluncurkan pada tahun 1992. Namun, berkat teknologinya yang luar biasa, kedua produk tersebut terus menikmati kesuksesan besar bahkan setelah tahun 2000.

Bagian 3: 1990~

Pengembangan metode manufaktur baru yang menanggapi kebutuhan pemesinan berkecepatan tinggi dan efisiensi tinggi yang setara dengan teknologi pesaing yang dipatenkan

Pada tahun 1990-an, Mitsubishi Materials berfokus pada pengembangan teknologi untuk membuat lapisan _Al2O3 yang tebal. _Lapisan​ ​_Al2O3 diproduksi melalui reaksi _AlCl3 dan _H2O, yang dihasilkan melalui reaksi fase gas antara _H2 dan _CO2. _Akan tetapi, kecepatan produksi _Al2O3 sangat cepat_, sehingga sangat sulit untuk menghasilkan lapisan dengan kualitas yang seragam.

Sementara itu, seiring meningkatnya kebutuhan akan pemesinan berkecepatan tinggi dan berefisiensi tinggi di pasaran, kebutuhan akan pelapis dengan _Al2O3 yang tebal pun meningkat. Saat itu, ada cara untuk menambahkan _H2S dalam jumlah yang sangat sedikit ke gas reaktan guna _membentuk pelapis tebal dengan tetap menjaga kualitas yang seragam. Akan tetapi, karena teknologi ini telah dipatenkan oleh pesaing di luar negeri, Mitsubishi Materials perlu mengembangkan metode baru.

Untuk melakukan ini, kami melakukan pengujian berulang menggunakan berbagai macam gas sambil mengklarifikasi mekanisme pembentukan lapisan tebal. Kami akhirnya berhasil memastikan keseragaman kualitas yang setara dengan yang dicapai dengan menambahkan H ₂ S (dipatenkan oleh pesaing) menggunakan NO sebagai sumber oksigen dalam atmosfer gas inert.

Bagian 4: 2000~

Bertujuan untuk mengembangkan alat pemotong yang lebih keras, lebih stabil, dan lebih tahan aus

Memasuki abad ke-21, Mitsubishi Materials mulai meningkatkan ketahanan aus lapisan _Al2O3. Ketika mentransformasikan k-_Al2O3 secara termal dalam fase metastabil pada suhu 1050 derajat C, terbentuk α-_Al2O3 dalam fase stabil. Kami menemukan bahwa α-_Al2O3​ ​_ini memiliki ketahanan aus yang sangat baik. _Dengan​ ​_menggunakan penemuan ini, kami membangun teknologi untuk membentuk lapisan dengan mengendalikan pertumbuhan α-_Al2O3 dengan orientasi sumbu-c. Kami mengerjakan pengembangan teknologi yang secara _alami mengarahkan kristal untuk meningkatkan kekerasan. Ini menjadi Teknologi Tekstur Nano dan telah diperluas _lebih lanjut menjadi Teknologi Tekstur Super Nano.

kehidupan dengan meningkatkan ketebalan Al ₂ O ₃, yang menyebabkan peningkatan ketebalan lapisan. Paten yang kami peroleh untuk serangkaian teknologi pembentukan lapisan Al ₂ O ₃ tersebut mengarah pada pembentukan kehadiran kuat yang dimiliki Mitsubishi Corporation di seluruh industri saat ini.

Kami mulai mengembangkan teknologi TOUGH-Grip, yang meningkatkan adhesi TiCN dan Al ₂ O ₃, sekitar tahun 2010. Sebelumnya, kami telah melakukan penelitian tentang teknologi adhesi untuk kedua lapisan ini sambil bekerja secara terpisah pada teknologi pelapisan untuk TiC dan Al ₂ O ₃. Bahan-bahan yang berbeda berlapis dalam lapisan CVD, oleh karena itu yang perlu diperhatikan paling dekat selama pelapisan CVD adalah membuat lapisan-lapisan halus dari bahan dasar. Poin penting adalah koefisien ekspansi termal yang berubah sesuai dengan perbedaan bahan. Teknologi TOUGH-Grip memperluas area adhesi lapisan TiCN bawah dan lapisan Al ₂ O ₃ atas melalui penyempurnaan struktur mikro, yang mengarah pada peningkatan adhesi dan pencegahan pengelupasan.

Bagian 5: Visi Masa Depan~

Pengembangan teknologi yang ditargetkan dalam kurun waktu empat hingga lima tahun mendatang menjadi kunci komersialisasi pada tahun 2030

Kami tengah berupaya mengembangkan teknologi alternatif untuk TiCN. Pelapisan TiCN standar telah berkembang selama lebih dari 30 tahun, dan akan sulit untuk mengembangkan sesuatu yang melampaui kinerjanya. Di sisi lain, jika kami mengembangkan teknologi baru, kami akan mampu membangun posisi yang kokoh di depan pesaing lain dalam industri ini. Kami telah memulai penelitian untuk pengembangan teknologi baru.

Akan tetapi, sangat sulit untuk memprediksi seperti apa situasi 10 tahun mendatang karena tidak mungkin membayangkan jenis permesinan apa yang akan digunakan di masa mendatang. Setelah menentukan komponen yang dibutuhkan untuk produk jadi, seperti mobil, peralatan yang dibutuhkan untuk memproduksi komponen tersebut akan ditentukan.

Seiring dengan peralihan dari kendaraan bermesin pembakaran internal ke EV, kita akan melihat perubahan signifikan di pasar alat pemotong.

Kita juga perlu mempertimbangkan potensi material baru yang sulit dipotong. Perangkat semikonduktor juga dapat beralih dari SiC ke berlian; oleh karena itu, kita juga perlu mempertimbangkan cara mengelola peralihan tersebut. Jika mobil terbang dikomersialkan, kita perlu meminimalkan bobot komponen. Ada banyak hal yang perlu dipertimbangkan untuk potensi masa depan, termasuk komponen masa depan dan alat pemotong.

Kami terus mengambil langkah maju setiap hari untuk mencapai terobosan atas kesulitan yang dihadapi.

Melihat kembali sejarah teknologi pelapisan CVD

Oshika: Ketika saya melihat data gambar aluminium, saya melihatnya dari sudut pandang ion aluminium. Ketika saya memikirkan kulit saya, saya melihatnya dari sudut pandang karbon dioksida. Mari kita pikirkan tentang asal usul atom karbon yang tak terhitung jumlahnya yang terkandung dalam kulit kita. Atom-atom itu mungkin berasal dari 100 tahun yang lalu, atau diturunkan dari dinosaurus yang hidup jutaan tahun yang lalu. Mempertimbangkan potensi usia karbon yang menyusun tubuh kita sambil melihat data tersebut, gambar-gambar itu menjadi hidup dalam pikiran saya.

Okude: Hal terpenting dalam pekerjaan saya di Central Research Institute adalah memastikan bahwa saya mengamati data dengan sangat baik. Saat melihat foto sampel, orang yang berbeda melihat hal yang berbeda. Memahami data dengan sangat baik dan menemukan perbedaannya memungkinkan kami untuk mengidentifikasi arah yang harus kami tuju dalam penelitian kami. Sebagai seseorang yang berada di posisi kepemimpinan, saya merasa bahwa mewariskan cara berpikir dan melihat berbagai hal seperti itu kepada generasi berikutnya adalah bagian penting dari mewariskan teknologi. Perbaikan terkini dalam perangkat analitis memungkinkan kita untuk melihat perubahan yang sebelumnya tidak dapat dilihat. Saya ingin terus menekankan pentingnya mengamati dan meninjau berbagai hal secara mendalam.

Tatsuoka: Yang selalu saya ingat saat melakukan penelitian dasar adalah upaya untuk menemukan bidang yang belum diketahui. Orisinalitas mengarah pada pengembangan teknologi dan produk baru. Terkait teknologi CVD, yang sejarahnya sudah ada sejak lebih dari setengah abad lalu, saya menggunakan pengetahuan yang terkumpul untuk menemukan hal-hal baru dari sudut pandang saya sendiri maupun sudut pandang yang sama sekali baru. Iklim yang mendukung di Central Research Institute memungkinkan saya untuk terus maju mengembangkan teknologi baru.