นิตยสาร MMC

มีส่วนช่วยอย่างมากต่อความเสถียรในการตัดวัสดุที่ตัดยาก

เครื่องมือตัดนั้นเปรียบเสมือนคนทำงานเบื้องหลัง พวกเขาทำงานโดยไม่สนใจใคร เพื่อสนับสนุนความก้าวหน้าของผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมอย่างต่อเนื่อง ความก้าวหน้าดังกล่าวได้ผ่านจุดสำคัญบางประการ วัสดุสำหรับเครื่องมือตัดได้พัฒนาจากเหล็กกล้าความเร็วสูงที่เรียกว่า Haisu ในภาษาญี่ปุ่น ซึ่งนำมาใช้ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 ไปจนถึงคาร์ไบด์ซีเมนต์ จากนั้นในเวลาต่อมา วิธีการเคลือบก็ได้รับการพัฒนาขึ้น ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญมาก โดยการเคลือบพื้นผิวของคาร์ไบด์ซีเมนต์ด้วยชั้นฟิล์มเซรามิกที่บางและแข็งมาก เราได้สัมภาษณ์เจ้าหน้าที่ของศูนย์นวัตกรรม (เดิมคือสถาบันวิจัยกลาง) เกี่ยวกับการพัฒนาด้านเทคโนโลยีที่ใช้สร้างเครื่องมือคาร์ไบด์ซีเมนต์โดยใช้กรรมวิธี CVD

โคลสอัพ

เทคโนโลยีการเคลือบ CVD คืออะไร?

การเคลือบด้วยไอเคมี (CVD) เป็นกระบวนการที่ให้ความร้อนกับก๊าซผสมที่อุณหภูมิ 800 ถึง 1100 องศาเซลเซียส เพื่อเคลือบเซรามิกแข็งบนพื้นผิวของคาร์ไบด์ซีเมนต์ ขั้นแรก ไททาเนียมคาร์บอน (TiC) ได้รับการพัฒนาเป็นวัสดุเคลือบ ตามมาด้วยไททาเนียมไนไตรด์ (TiN) ไททาเนียมคาร์บอนไนไตรด์ (TiCN) อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al ₂ O ₃) และอื่นๆ ปัจจุบัน เทคโนโลยีการเคลือบหลายชั้นโดยใช้ชั้นที่ยึดติดกันกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วและกลายเป็นกระแสหลัก

ลักษณะเฉพาะของการเคลือบ CVD
• ปรับปรุงเทคโนโลยีการควบคุมการยึดเกาะและการวางแนวผลึก และปรับปรุงเสถียรภาพและความต้านทานการสึกหรออย่างมาก
• ปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนและความทนทานต่อการสึกหรออย่างมีนัยสำคัญสำหรับการตัดความเร็วสูง
• ให้การตัดที่เชื่อถือได้สำหรับงานตัดเฉือนที่หลากหลายยิ่งขึ้น

ตอนที่ 1 : 1970~

การสร้างเทคโนโลยีการผลิตจำนวนมากโดยใช้สารเคลือบลดแรงกด

ในปี 1969 เครื่องมือเคลือบคาร์ไบด์ซีเมนต์ (CVD) ตัวแรกของโลกได้รับการแนะนำ เครื่องมือ CVD ผลิตขึ้นโดยการเคลือบพื้นผิวของเครื่องมือคาร์ไบด์ซีเมนต์ด้วยชั้นฟิล์มเซรามิกที่แข็งมากและบาง เครื่องมือ CVD ตัวแรกได้รับการแนะนำสู่ตลาดโดย WIDIA ซึ่งเป็นผู้ผลิตคาร์ไบด์ซีเมนต์เก่าแก่ในเยอรมนีตะวันตก ไม่กี่เดือนต่อมา ผู้ผลิต Sandvik จากสวีเดนก็เริ่มจำหน่ายเครื่องมือเคลือบ CVD เช่นกัน

ในช่วงทศวรรษ 1970 ผู้ผลิตหลายรายผลิตเครื่องมือ CVD ที่มีชั้น Al ₂ O ₃ ทับบนชั้นเคลือบ TiC ซึ่งเป็นประเภทดั้งเดิมของชั้นเคลือบ CVD หลายชั้นในปัจจุบัน

นอกจากนี้ Mitsubishi Materials ยังเริ่มทำการวิจัยเกี่ยวกับสารเคลือบในช่วงปลายทศวรรษ 1960 และทำงานด้านการพัฒนาเทคโนโลยี CVD ทั้งที่โรงงานโตเกียวแห่งเดิมในชินากาวะและสถาบันวิจัยกลางแห่งเดิมในโอมิยะ จากผลการวิจัยและพัฒนาเหล่านี้ Mitsubishi Materials จึงได้เปิดตัวเครื่องมือเคลือบ CVD ในปี 1971

Mitsubishi Materials ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีการเคลือบ TiC และ Al ₂ O ₃ แยกกันก่อน จากนั้นจึงขยายขอบเขตการวิจัยไปยังเทคโนโลยีการยึดเกาะเพื่อยึดฟิล์มสองชนิดนี้เข้าด้วยกัน เทคโนโลยีการยึดเกาะนี้ทำให้เกิดการพัฒนา TOUGH-Grip และ Super TOUGH-Grip

ในขณะเดียวกัน บริษัทได้เริ่มพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตจำนวนมาก โดยในช่วงแรกนั้น การเคลือบจะดำเนินการภายใต้ความดันบรรยากาศที่เพิ่มขึ้น ในทางทฤษฎี การแพร่กระจายของส่วนประกอบของก๊าซจะเร่งขึ้นภายใต้เงื่อนไขการคลายแรงอัด ซึ่งทำให้สามารถประมวลผลฟิล์มคุณภาพสูงจำนวนมากได้ บริษัทได้พัฒนาเทคโนโลยีการผลิตจำนวนมากผ่านการพัฒนาอุปกรณ์และเทคโนโลยีการประมวลผลการคลายแรงอัดที่โดดเด่น

บริษัทได้ดำเนินการเคลือบหลายชั้นโดยใช้เทคโนโลยีการยึดเกาะในช่วงกลางทศวรรษปี 1970 สารประกอบไททาเนียมที่มีความทนทานต่อการสึกหรอสูงและโครงสร้างหลายชั้นของ Al ₂ O ₃ ที่เสถียรทางเคมีนั้นตอบสนองเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการตัดเฉือนในลักษณะที่สมดุลอย่างดี การวิจัยเกี่ยวกับการยึดเกาะที่มีความเข้มข้นสูงของสองชั้นนี้ยืนยันว่าการใช้ชั้น TiCO เป็นชั้นกลางนั้นช่วยเพิ่มการยึดเกาะได้สูงสุด โดยใช้เทคโนโลยีนี้ บริษัทจึงเปิดตัว U77 ในปี 1977

ตอนที่ 2 : 1980~

การพัฒนาเทคโนโลยีป้องกันการแพร่กระจายของโคบอลต์เพื่อปรับปรุงความทนทานต่อการสึกหรอให้ดียิ่งขึ้น

ปัญหาต่อไปคือการป้องกันการแพร่กระจายของโคบอลต์ที่มีอยู่ในสารตั้งต้น การประมวลผล CVD ที่อุณหภูมิ 1,000 องศาเซลเซียสทำให้โคบอลต์แพร่กระจาย โคบอลต์ที่แพร่กระจายจากสารตั้งต้นจะเข้าไปในชั้น TiCN ด้านบน และชั้นเซรามิกจะกลายเป็นวัสดุผสมที่ประกอบด้วยวัสดุเซรามิกและโลหะ (เซอร์เมท) ส่งผลให้มีความต้านทานการสึกหรอลดลง

เพื่อแก้ปัญหานี้ เราจึงได้คิดค้นเทคโนโลยีกั้นเพื่อป้องกันการแพร่กระจายของโคบอลต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เป็นวิธีการใหม่ในการใช้ก๊าซที่มีการกระตุ้นสูงอย่างอะซีโตไนไตรล์ (CH ₃ CN) เนื่องจาก CH ₃ CN มีการกระตุ้นสูง จึงสามารถผลิตสารเคลือบได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าก๊าซ CH ₄ ทั่วไปประมาณ 100 องศาเซลเซียส อุณหภูมิต่ำช่วยลดการแพร่กระจายของโคบอลต์จากสารตั้งต้นได้อย่างมาก ซึ่งทำให้สามารถสร้างชั้น TiCN ที่มีผลึกสูงและโครงสร้างเป็นคอลัมน์ได้ เทคโนโลยีนี้ยังคงเป็นมาตรฐานแม้ว่าจะผ่านการพัฒนามา 30 ปีแล้วก็ตาม

ผลิตภัณฑ์หลักที่ใช้เทคโนโลยีนี้คือซีรีส์ UC6010 และ UC6025 ที่เปิดตัวในปี 1992 อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเทคโนโลยีที่โดดเด่น ผลิตภัณฑ์ทั้งสองจึงยังคงประสบความสำเร็จอย่างต่อเนื่องแม้กระทั่งหลังจากปี 2000 ก็ตาม

ตอนที่ 3 : 1990~

การพัฒนาวิธีการผลิตใหม่ที่ตอบสนองความต้องการการตัดเฉือนความเร็วสูงและประสิทธิภาพสูงเทียบเท่าเทคโนโลยีของคู่แข่งที่ได้รับสิทธิบัตร

ในช่วงทศวรรษ 1990 บริษัท Mitsubishi Materials มุ่งเน้นการพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อสร้างชั้นเคลือบ Al ₂ O ₃ ที่หนาขึ้น ชั้น Al ₂ O ₃ เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาของ AlCl ₃ และ H ₂ O ซึ่งเกิดจากปฏิกิริยาในเฟสก๊าซระหว่าง H ₂ และ CO ₂ อย่างไรก็ตาม ความเร็วในการผลิต Al ₂ O ₃ นั้นรวดเร็วมาก ซึ่งทำให้การผลิตชั้นเคลือบที่มีคุณภาพสม่ำเสมอเป็นเรื่องยากมาก

ในขณะเดียวกัน เนื่องจากความต้องการเครื่องจักรความเร็วสูงและประสิทธิภาพสูงในตลาดเพิ่มขึ้น ความต้องการการเคลือบด้วย Al ₂ O ₃ หนาจึงเพิ่มขึ้นเช่นกัน ในเวลานั้น มีวิธีการเติม H ₂ S ในปริมาณน้อยมากลงในก๊าซปฏิกิริยาเพื่อสร้างการเคลือบหนาในขณะที่ยังคงคุณภาพที่สม่ำเสมอ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเทคโนโลยีนี้ได้รับการจดสิทธิบัตรโดยคู่แข่งในต่างประเทศ Mitsubishi Materials จึงจำเป็นต้องพัฒนาวิธีการใหม่

เพื่อดำเนินการดังกล่าว เราจึงทำการทดสอบซ้ำโดยใช้ก๊าซหลากหลายชนิดในขณะที่ชี้แจงกลไกของการก่อตัวของสารเคลือบหนา ในที่สุด เราก็ประสบความสำเร็จในการรับรองความสม่ำเสมอในคุณภาพที่เทียบเท่ากับการเติม H ₂ S (จดสิทธิบัตรโดยคู่แข่ง) โดยใช้ NO เป็นแหล่งออกซิเจนในบรรยากาศของก๊าซเฉื่อย

ตอนที่ 4 : 2000~

มุ่งพัฒนาเครื่องมือตัดที่มีความแข็งแกร่ง ทนทาน และทนทานต่อการสึกหรอมากยิ่งขึ้น

เมื่อเข้าสู่ศตวรรษที่ 21 บริษัท Mitsubishi Materials ได้เริ่มปรับปรุงความทนทานต่อการสึกหรอของชั้น Al ₂ O ₃ เมื่อทำการเปลี่ยน k-Al ₂ O ₃ ด้วยความร้อนในเฟสกึ่งเสถียรที่อุณหภูมิ 1,050 องศาเซลเซียส จะเกิด α-Al ₂ O ₃ ในเฟสเสถียร เราพบว่า α-Al ₂ O ₃ นี้มีความทนทานต่อการสึกหรอได้ดีเยี่ยม ด้วยการค้นพบนี้ เราจึงได้สร้างเทคโนโลยีในการสร้างชั้นเคลือบโดยควบคุมการเติบโตของ α-Al ₂ O ₃ ด้วยการวางแนวแกน c เราทำงานในการพัฒนาเทคโนโลยีที่ปรับทิศทางของผลึกตามธรรมชาติเพื่อปรับปรุงความแข็ง ซึ่งกลายมาเป็นเทคโนโลยีพื้นผิวระดับนาโน และได้ขยายเพิ่มเติมเป็นเทคโนโลยีพื้นผิวระดับซูเปอร์นาโน

อายุการใช้งานที่เพิ่มขึ้นโดยการเพิ่มความหนาของ Al ₂ O ₃ ซึ่งส่งผลให้ความหนาของสารเคลือบเพิ่มขึ้น สิทธิบัตรที่เราได้รับสำหรับเทคโนโลยีการสร้างสารเคลือบ Al ₂ O ₃ ดังกล่าวทำให้ Mitsubishi Corporation เป็นที่รู้จักอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมในปัจจุบัน

เราเริ่มพัฒนาเทคโนโลยี TOUGH-Grip ซึ่งเพิ่มการยึดเกาะของ TiCN และ Al ₂ O ₃ ราวปี 2010 ก่อนหน้านั้น เราเคยทำการวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีการยึดเกาะสำหรับสารเคลือบทั้งสองชนิดนี้แล้ว ในขณะที่ทำงานแยกกันในเทคโนโลยีการเคลือบสำหรับ TiC และ Al ₂ O ₃ วัสดุที่แตกต่างกันจะเคลือบเป็นชั้นๆ ในสารเคลือบ CVD ดังนั้น สิ่งที่ต้องให้ความสนใจมากที่สุดในระหว่างการเคลือบ CVD คือการสร้างชั้นละเอียดจากวัสดุพื้นฐาน จุดสำคัญคือค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่เปลี่ยนแปลงไปตามความแตกต่างของวัสดุ เทคโนโลยี TOUGH-Grip ขยายพื้นที่การยึดเกาะของชั้น TiCN ด้านล่างและชั้น Al ₂ O ₃ ด้านบนผ่านการปรับปรุงโครงสร้างจุลภาค นำไปสู่การยึดเกาะที่ดีขึ้นและป้องกันการลอกออก

ตอนที่ 5 : วิสัยทัศน์ในอนาคต~

การพัฒนาเทคโนโลยีที่มุ่งหวังในสี่ถึงห้าปีจากนี้จะเป็นกุญแจสำคัญสำหรับการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ในปี 2030

เรากำลังมองหาการพัฒนาเทคโนโลยีทางเลือกสำหรับ TiCN สารเคลือบ TiCN มาตรฐานได้รับการพัฒนามานานกว่า 30 ปีแล้ว และจะเป็นเรื่องยากที่จะพัฒนาสิ่งที่มีประสิทธิภาพเหนือกว่านี้ ในทางกลับกัน หากเราพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ เราจะสามารถสร้างตำแหน่งที่มั่นคงเหนือคู่แข่งรายอื่นในอุตสาหกรรมได้ เราได้เริ่มการวิจัยเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีใหม่แล้ว

อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องยากมากที่จะคาดเดาว่าสถานการณ์ในอีก 10 ปีข้างหน้าจะเป็นอย่างไร เนื่องจากไม่สามารถจินตนาการได้ว่าในอนาคตจะมีการกลึงแบบใด หลังจากระบุชิ้นส่วนที่จำเป็นสำหรับผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป เช่น รถยนต์แล้ว ก็จะกำหนดเครื่องมือที่จำเป็นในการผลิตชิ้นส่วนเหล่านั้น

เมื่อการเปลี่ยนแปลงจากยานยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในมาเป็นรถยนต์ไฟฟ้าดำเนินต่อไป เราจะเห็นการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญในตลาดเครื่องมือตัด

นอกจากนี้ เรายังต้องพิจารณาถึงศักยภาพของวัสดุใหม่ที่ตัดได้ยาก อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อาจเปลี่ยนจาก SiC ไปเป็นเพชร ดังนั้น เราจึงจำเป็นต้องพิจารณาถึงวิธีการจัดการกับการเปลี่ยนแปลงนี้ด้วย หากมีการนำรถยนต์บินได้มาใช้ในเชิงพาณิชย์ เราจะต้องลดน้ำหนักของส่วนประกอบต่างๆ ให้เหลือน้อยที่สุด มีหลายสิ่งที่ต้องพิจารณาสำหรับศักยภาพในอนาคต รวมถึงส่วนประกอบและเครื่องมือตัดในอนาคต

เรายังคงเดินหน้าต่อไปทุกวันเพื่อให้เกิดความก้าวหน้าต่อความยากลำบากที่เผชิญ

ย้อนมองประวัติศาสตร์ของเทคโนโลยีการเคลือบ CVD

Oshika: เมื่อฉันดูข้อมูลภาพอะลูมิเนียม ฉันก็มองจากมุมมองของไอออนอะลูมิเนียม เมื่อฉันคิดถึงผิวหนัง ฉันมองจากมุมมองของคาร์บอนไดออกไซด์ ลองนึกถึงต้นกำเนิดของอะตอมคาร์บอนนับไม่ถ้วนที่อยู่ในผิวหนังของเรา อะตอมเหล่านี้อาจมีมาตั้งแต่หลายร้อยปีก่อน หรือสืบทอดมาจากไดโนเสาร์ที่อาศัยอยู่เมื่อหลายล้านปีก่อน เมื่อพิจารณาถึงอายุที่เป็นไปได้ของคาร์บอนที่ประกอบเป็นร่างกายของเราในขณะที่ดูข้อมูล ภาพต่างๆ ก็มีชีวิตขึ้นมาในใจของฉัน

โอคุเดะ: สิ่งที่สำคัญที่สุดในการทำงานของฉันที่สถาบันวิจัยกลางคือการทำให้แน่ใจว่าฉันสังเกตข้อมูลได้ดีมาก เมื่อดูรูปถ่ายของตัวอย่าง ผู้คนต่างสังเกตเห็นสิ่งที่แตกต่างกัน การทำความเข้าใจข้อมูลได้ดีและค้นพบความแตกต่างทำให้เราสามารถระบุทิศทางที่ควรดำเนินการในการวิจัยได้ ในฐานะผู้นำ ฉันรู้สึกว่าการถ่ายทอดวิธีคิดและการมองสิ่งต่างๆ เหล่านี้ให้กับคนรุ่นต่อไปเป็นส่วนสำคัญของการถ่ายทอดเทคโนโลยี การปรับปรุงอุปกรณ์วิเคราะห์ล่าสุดทำให้เราสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงที่ไม่เคยเห็นมาก่อน ฉันอยากจะเน้นย้ำถึงความสำคัญของการสังเกตและทบทวนสิ่งต่างๆ อย่างลึกซึ้งต่อไป

ทัตสึโอกะ: สิ่งที่ฉันคำนึงถึงเสมอในการทำวิจัยพื้นฐานคือความพยายามที่จะค้นพบสาขาที่ไม่รู้จัก ความคิดริเริ่มนำไปสู่การพัฒนาเทคโนโลยีและผลิตภัณฑ์ใหม่ ๆ ในส่วนของเทคโนโลยี CVD ซึ่งมีประวัติศาสตร์ยาวนานกว่าครึ่งศตวรรษ ฉันใช้ความรู้ที่สะสมมาเพื่อค้นหาสิ่งใหม่ ๆ จากมุมมองของตัวเองและมุมมองใหม่ ๆ บรรยากาศที่สนับสนุนของสถาบันวิจัยกลางทำให้ฉันสามารถก้าวไปข้างหน้าเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ ๆ ได้ต่อไป