Tạp chí MMC

Góp phần đáng kể vào việc gia công ổn định các vật liệu khó cắt

Dụng cụ cắt giống như những người làm việc đằng sau hậu trường. Họ làm việc ngoài ánh đèn sân khấu để hỗ trợ liên tục cho sự tiến bộ của các sản phẩm công nghiệp. Sự tiến bộ này đã đạt được một số cột mốc quan trọng. Vật liệu dụng cụ cắt đã tiến triển từ thép tốc độ cao, được gọi là Haisu trong tiếng Nhật; được giới thiệu vào cuối thế kỷ 19, đến cacbua xi măng. Sau đó, phương pháp phủ được phát triển rất lâu sau đó và điều này thể hiện sự tiến bộ đáng kể bằng cách phủ bề mặt cacbua xi măng bằng một lớp màng gốm mỏng, rất cứng. Chúng tôi đã phỏng vấn các nhân viên của Trung tâm Đổi mới (trước đây là Viện Nghiên cứu Trung ương) về sự phát triển công nghệ đã tạo ra các dụng cụ cacbua xi măng bằng phương pháp CVD.

ĐÓNG GÓC

Công nghệ phủ CVD là gì?

Phủ lắng đọng hơi hóa học (CVD) là quá trình nung hỗn hợp khí đến 800 đến 1100 độ C để lắng đọng gốm cứng trên bề mặt cacbua xi măng. Đầu tiên, titan cacbon (TiC) được phát triển làm vật liệu phủ, sau đó là titan nitrua (TiN), titan cacbon nitrua (TiCN), nhôm oxit (Al ₂ O ₃) và các loại khác. Hiện nay, công nghệ phủ nhiều lớp sử dụng lớp liên kết đang phát triển nhanh chóng và đã trở thành xu hướng chính.

Đặc điểm của lớp phủ CVD
• Tăng cường công nghệ kiểm soát độ bám dính và định hướng tinh thể và cải thiện đáng kể độ ổn định và khả năng chống mài mòn
• Cải thiện đáng kể độ ổn định nhiệt và khả năng chống mài mòn khi cắt tốc độ cao
• Đạt được khả năng cắt đáng tin cậy cho phạm vi gia công rộng hơn

Phần 1: 1970~

Thiết lập công nghệ sản xuất hàng loạt bằng cách sử dụng lớp phủ giải nén

Năm 1969, dụng cụ cacbua xi măng (CVD) phủ đầu tiên trên thế giới đã được giới thiệu. Dụng cụ CVD được chế tạo bằng cách phủ bề mặt của dụng cụ cacbua xi măng bằng một lớp màng gốm mỏng, rất cứng. Dụng cụ CVD đầu tiên được giới thiệu ra thị trường bởi WIDIA, một nhà sản xuất cacbua xi măng lâu đời ở Tây Đức. Vài tháng sau, nhà sản xuất Sandvik của Thụy Điển cũng bắt đầu bán dụng cụ phủ CVD.

Vào những năm 1970, một số nhà sản xuất đã tung ra các công cụ CVD có lớp Al ₂ O ₃ phủ trên lớp phủ TiC. Đây là loại ban đầu của lớp phủ nhiều lớp CVD hiện nay.

Mitsubishi Materials cũng bắt đầu nghiên cứu về lớp phủ vào cuối những năm 1960 và làm việc về phát triển công nghệ CVD tại cả Nhà máy Tokyo cũ ở Shinagawa và Viện nghiên cứu trung tâm cũ ở Omiya. Dựa trên kết quả nghiên cứu và phát triển này, Mitsubishi Materials đã phát hành các công cụ phủ CVD vào năm 1971.

Mitsubishi Materials đầu tiên tiến hành nghiên cứu về công nghệ phủ cho TiC và Al ₂ O ₃ riêng biệt, sau đó mở rộng nghiên cứu sang công nghệ bám dính để liên kết hai màng khác nhau này. Công nghệ bám dính này dẫn đến sự phát triển TOUGH-Grip và Super TOUGH-Grip.

Trong khi đó, Công ty cũng bắt đầu phát triển công nghệ sản xuất hàng loạt. Quá trình phủ ban đầu được thực hiện dưới áp suất khí quyển tăng cao. Về mặt lý thuyết, quá trình khuếch tán các thành phần khí được tăng tốc trong điều kiện giải nén, giúp có thể xử lý một lượng lớn màng chất lượng cao. Công ty đã thiết lập công nghệ sản xuất hàng loạt thông qua việc phát triển thiết bị vượt trội và công nghệ xử lý giải nén.

Công ty đã nghiên cứu về lớp phủ nhiều lớp sử dụng công nghệ bám dính vào giữa những năm 1970. Các hợp chất Ti có khả năng chống mài mòn cao và cấu trúc nhiều lớp của Al ₂ O ₃ ổn định về mặt hóa học đã đáp ứng các điều kiện cần thiết để gia công theo cách cân bằng tốt. Nghiên cứu về độ bám dính cường độ cao của hai lớp này đã xác nhận rằng việc sử dụng lớp TiCO làm lớp giữa đã tối đa hóa độ bám dính. Sử dụng công nghệ này, Công ty đã phát hành U77 vào năm 1977.

Phần 2: 1980~

Phát triển công nghệ ngăn chặn sự khuếch tán Coban để cải thiện hơn nữa khả năng chống mài mòn

Vấn đề tiếp theo là ngăn chặn sự khuếch tán của coban có trong chất nền. Quá trình xử lý CVD ở 1000 độ C gây ra sự khuếch tán của coban. Coban khuếch tán từ chất nền đi vào lớp TiCN phía trên nó và lớp gốm trở thành vật liệu tổng hợp bao gồm vật liệu gốm và kim loại (cermet), dẫn đến khả năng chống mài mòn giảm.

Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã thiết lập một công nghệ rào cản để ngăn chặn sự khuếch tán coban. Cụ thể, đó là một phương pháp mới sử dụng khí hoạt hóa cao, acetonitrile (CH ₃ CN). Được hoạt hóa cao, CH ₃ CN có thể tạo ra lớp phủ ở nhiệt độ thấp hơn khoảng 100 độ C so với khí CH ₄ thông thường. Nhiệt độ thấp làm giảm đáng kể sự khuếch tán coban từ các chất nền, giúp tạo ra lớp TiCN có độ kết tinh cao và cấu trúc dạng cột. Đây vẫn là công nghệ tiêu chuẩn ngay cả sau 30 năm phát triển.

Các sản phẩm chính sử dụng công nghệ này là dòng UC6010 và UC6025 được ra mắt vào năm 1992. Tuy nhiên, nhờ công nghệ vượt trội, cả hai sản phẩm vẫn tiếp tục đạt được thành công lớn ngay cả sau năm 2000.

Phần 3: 1990~

Phát triển phương pháp sản xuất mới đáp ứng nhu cầu gia công tốc độ cao và hiệu quả cao tương đương với công nghệ của đối thủ cạnh tranh đã được cấp bằng sáng chế

Vào những năm 1990, Mitsubishi Materials tập trung vào việc phát triển công nghệ để tạo ra lớp phủ Al ₂ O ₃ dày. Lớp Al ₂ O ₃ được tạo ra bằng phản ứng của AlCl ₃ và H ₂ O, được tạo ra bởi phản ứng pha khí giữa H ₂ và CO _2. Tuy nhiên, tốc độ sản xuất Al ₂ O ₃ cực kỳ nhanh, khiến việc sản xuất lớp phủ có chất lượng đồng đều trở nên cực kỳ khó khăn.

Trong khi đó, khi nhu cầu gia công tốc độ cao và hiệu suất cao tăng lên trên thị trường, nhu cầu về lớp phủ có Al ₂ O ₃ dày cũng tăng theo. Vào thời điểm đó, có một cách để thêm một lượng cực nhỏ H ₂ S vào khí phản ứng để tạo thành lớp phủ dày trong khi vẫn duy trì chất lượng đồng đều. Tuy nhiên, vì công nghệ này đã được cấp bằng sáng chế bởi một đối thủ cạnh tranh ở nước ngoài nên Mitsubishi Materials cần phải phát triển một phương pháp mới.

Để làm được điều này, chúng tôi đã thực hiện thử nghiệm lặp lại bằng nhiều loại khí khác nhau trong khi làm rõ cơ chế hình thành lớp phủ dày. Cuối cùng chúng tôi đã thành công trong việc đảm bảo tính đồng nhất về chất lượng tương đương với chất lượng đạt được bằng cách thêm H ₂ S (được cấp bằng sáng chế bởi một đối thủ cạnh tranh) bằng cách sử dụng NO làm nguồn oxy trong khí quyển khí trơ.

Phần 4: 2000~

Với mục tiêu phát triển các công cụ cắt cứng hơn, ổn định hơn và chống mài mòn tốt hơn

Bước vào thế kỷ 21, Mitsubishi Materials bắt đầu cải thiện khả năng chống mài mòn của lớp Al ₂ O _3. Khi chuyển đổi nhiệt k-Al ₂ O ₃ trong pha bán bền ở 1050 độ C, α-Al ₂ O ₃ trong pha ổn định được hình thành. Chúng tôi thấy rằng α-Al ₂ O ₃ này có khả năng chống mài mòn tuyệt vời. Sử dụng khám phá này, chúng tôi đã thiết lập một công nghệ để tạo lớp phủ bằng cách kiểm soát sự phát triển của α-Al ₂ O ₃ theo hướng trục c. Chúng tôi đã nghiên cứu phát triển công nghệ định hướng tinh thể tự nhiên để cải thiện độ cứng. Công nghệ này đã trở thành Công nghệ kết cấu nano và đã được mở rộng hơn nữa thành Công nghệ kết cấu siêu nano.

cuộc sống bằng cách tăng độ dày của Al ₂ O ₃, dẫn đến tăng độ dày của lớp phủ. Bằng sáng chế chúng tôi nhận được cho loạt công nghệ tạo lớp phủ Al ₂ O ₃ như vậy đã dẫn đến việc thiết lập sự hiện diện mạnh mẽ mà Tập đoàn Mitsubishi có trong toàn ngành công nghiệp ngày nay.

Chúng tôi bắt đầu phát triển công nghệ TOUGH-Grip, giúp tăng độ bám dính của TiCN và Al ₂ O ₃ vào khoảng năm 2010. Trước đó, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu về công nghệ bám dính cho hai lớp phủ này trong khi nghiên cứu riêng về công nghệ phủ cho TiC và Al ₂ O _3. Các vật liệu khác nhau được xếp lớp trong lớp phủ CVD, do đó, điều cần chú ý nhất trong quá trình phủ CVD là tạo các lớp mịn từ vật liệu nền. Một điểm quan trọng là hệ số giãn nở nhiệt thay đổi theo sự khác biệt của các vật liệu. Công nghệ TOUGH-Grip mở rộng diện tích bám dính của lớp TiCN dưới và lớp Al ₂ O ₃ trên thông qua quá trình tinh chỉnh cấu trúc vi mô, dẫn đến cải thiện độ bám dính và ngăn ngừa bong tróc.

Phần 5: Tầm nhìn tương lai~

Phát triển công nghệ hướng tới mục tiêu bốn đến năm năm kể từ bây giờ là chìa khóa cho thương mại hóa vào năm 2030

Chúng tôi đang xem xét phát triển một công nghệ thay thế cho TiCN. Lớp phủ TiCN tiêu chuẩn đã trưởng thành trong hơn 30 năm và sẽ rất khó để phát triển thứ gì đó vượt qua hiệu suất của nó. Mặt khác, nếu chúng tôi phát triển công nghệ mới, chúng tôi sẽ có thể thiết lập vị thế vững chắc trước các đối thủ cạnh tranh khác trong ngành. Chúng tôi đã bắt đầu nghiên cứu để phát triển công nghệ mới.

Tuy nhiên, rất khó để dự đoán tình hình sẽ như thế nào sau 10 năm nữa vì không thể hình dung được loại gia công nào sẽ được sử dụng trong tương lai. Sau khi chỉ định các bộ phận cần thiết cho một sản phẩm hoàn thiện, chẳng hạn như ô tô, các công cụ cần thiết để sản xuất các bộ phận đó sẽ được xác định.

Khi quá trình chuyển đổi từ xe động cơ đốt trong sang xe điện diễn ra, chúng ta sẽ thấy sự thay đổi đáng kể trên thị trường dụng cụ cắt.

Chúng ta cũng cần xem xét tiềm năng của các vật liệu mới khó cắt. Các thiết bị bán dẫn cũng có thể chuyển từ SiC sang kim cương; do đó, chúng ta cũng cần xem xét cách quản lý sự thay đổi này. Nếu ô tô bay được thương mại hóa, chúng ta cần giảm thiểu trọng lượng của các thành phần. Có rất nhiều thứ cần xem xét cho tiềm năng trong tương lai, bao gồm các thành phần và công cụ cắt trong tương lai.

Chúng tôi tiếp tục tiến bước mỗi ngày để đạt được bước đột phá trong việc giải quyết những khó khăn gặp phải.

Nhìn lại lịch sử của công nghệ phủ CVD

Oshika: Khi tôi xem dữ liệu hình ảnh nhôm, đó là từ góc nhìn của ion nhôm. Khi tôi nghĩ về làn da của mình, tôi nhìn nó từ góc nhìn của carbon dioxide. Hãy nghĩ về nguồn gốc của vô số nguyên tử carbon có trong da của chúng ta. Chúng có thể có từ hàng trăm năm trước, hoặc được truyền lại từ những con khủng long sống cách đây hàng triệu năm. Khi xem xét độ tuổi tiềm ẩn của carbon tạo nên cơ thể chúng ta khi xem dữ liệu, những hình ảnh trở nên sống động trong tâm trí tôi.

Okude: Điều quan trọng nhất trong công việc của tôi tại Viện Nghiên cứu Trung ương là đảm bảo rằng tôi quan sát dữ liệu thật tốt. Khi xem ảnh chụp mẫu, những người khác nhau sẽ nhận thấy những điều khác nhau. Hiểu dữ liệu thực sự tốt và khám phá ra những điểm khác biệt giúp chúng tôi có thể xác định hướng đi mà chúng tôi nên thực hiện trong nghiên cứu của mình. Là một người ở vị trí lãnh đạo, tôi cảm thấy rằng việc truyền lại những cách suy nghĩ và cách nhìn nhận sự vật như vậy cho thế hệ tiếp theo là một phần quan trọng của việc truyền lại công nghệ. Những cải tiến gần đây trong các thiết bị phân tích cho phép chúng ta nhận thấy những thay đổi mà trước đây không thể thấy được. Tôi muốn tiếp tục nhấn mạnh tầm quan trọng của việc quan sát và xem xét mọi thứ một cách sâu sắc.

Tatsuoka: Điều tôi luôn ghi nhớ khi tiến hành nghiên cứu cơ bản là nỗ lực khám phá những lĩnh vực chưa biết. Tính độc đáo dẫn đến sự phát triển của công nghệ và sản phẩm mới. Đối với công nghệ CVD, có lịch sử hơn nửa thế kỷ, tôi sử dụng kiến thức tích lũy được để tìm ra những điều mới mẻ theo quan điểm của riêng tôi cũng như một quan điểm hoàn toàn mới. Môi trường hỗ trợ của Viện nghiên cứu trung ương giúp tôi có thể tiếp tục tiến lên để phát triển công nghệ mới.