Témata
Reklama

Frikční nanokompozitní PVD povlak TiC/C

Společnost SHM ve spolupráci s Ústavem fyzikální elektroniky Masarykovy univerzity v Brně dokončila vývoj a testování tvrdého otěruvzdorného PVD povlaku nc-TiC/a-C:H připraveného vlastní patentovanou technologií, která kombinuje magnetronové naprašování a obloukové odpařování.

Průmyslově nejrozšířenějším povlakem ze skupiny MeC/a-C:H povlaků je povlak WC/C, který se aplikuje převážně na komponenty. Povlak TiC/C patřící do stejné strukturní skupiny směřuje do jiné oblasti, a to především tváření a obrábění.

Povlak je velmi atraktivní i díky možnostem přípravy širšího spektra poměrů prvků Ti:C:N s různými výslednými vlastnostmi – od adhezní vrstvy TiN přes TiCN a TiC s vysokou tvrdostí až po konečnou kluznou variantu TiC/C s nadstechiometrickým obsahem uhlíku. Výsledný povlak kombinuje v principu všechny tyto čtyři vrstvy. Společný vývoj se zaměřil na řešení regulačních algoritmů řízení složení na válcových magnetronech, studium struktury, ověření tvrdostí a praktických aspektů depozice v komerčním měřítku.

Reklama
Reklama
Reklama
Obr. 1. Konfigurace targetů povlakovacího zařízení Pi 411 použitá pro testy TiC/C

Experiment

Povlak TiC/C byl vyvíjen na průmyslovém povlakovacím zařízení Pi411. Vrstva je připravována technologií nízkonapěťového oblouku a magnetronového naprašování v konfiguraci podle obr. 1 z obloukových katod Ti, Al (na pozici 1 a 2) a magnetronové katody Ti (pozice 3). Zdrojem uhlíku je acetylen.

Řídicí algoritmy

Pro přípravu povlaku byly použity dva nezávislé algoritmy řízení. První pro stechiometrické TiN a druhý pro depozici TiCN-TiC. Jsou založeny na charakteristické změně napětí výboje, resp. procesního tlaku (obr. 2) odpovídající různým povrchovým stavům magnetronové katody a návazně složení vrstvy. V systému Ti-N2, resp. Ti-C2H2 lze deponovat vrstvy různého složení – od podsycených přes stechiometrické až po přesycené. Řídicí algoritmy umožňují připravit požadované složení nezávisle na opotřebení katod, objemu povlakované vsázky, typech průtokoměrů apod.


Obr. 2. Průběh napětí výboje a tlaku pro Ti a C2H2
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Průběh procesních hodnot tlaku, napětí výboje a odpovídající složení Ti:C a tvrdosti je uvedeno na obr. 3. Všechny pracovní režimy jsou v principu odvozeny od bodu nasycení povrchu katody, který je v průběhu napětí výboje a tlaku charakteristický poměrně výraznými změnami jejich trendů. Právě průběžný výpočet změny jejich hodnot je základem řídicích algoritmů obou systémů.


Obr. 3. Průběh napětí výboje, tvrdosti a složení Ti a C2H2
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Nejzajímavější jsou hodnoty korespondující s maximem tvrdosti odpovídající v podstatě stechiometrickému složení TiC, které ale leží v nestabilní části výbojů a vyžaduje proto již zmíněný řídicí algoritmus. Složení uhlíkem přesycené vrstvy bylo zvoleno na základě frikčních zkoušek (obr. 7).

Obr. 4. Kalota TiC/C

Vlastnosti povlaku TiC/C

Struktura, složení

Finální architektura povlaku je založena na kaskádě vrstev Ti:C:N kombinující poměrně odlišné vlastnosti jednotlivých vrstev za účelem dosažení velké univerzality povlaku. Složení přechází od čistého TiN přes TiCN a TiC až do vrstvy TiC/C se stechiometrickým nadbytkem uhlíku. Nejvyšší tvrdosti 35 GPa dosahuje část TiCN a TiC, tvrdost vrstvy TiC/C se pohybuje okolo 20 GPa. Standardní tloušťka povlaku je od 2 do 6 µm.

Lom

Struktura lomu je typická pro PVD povlaky. Jedná se o poměrně dobře vyvinutou kolumnární strukturu, která náznakem přechází do „glassy“ v závěrečné vysokouhlíkové vrstvě. Funkčnost struktury je široce ověřená i povlaky TripleCoating Cr a TripleCoating SI.

Obr. 5. SEM lomu povlaku TiC/C

XRD

Při vývoji vrstvy TiC/C byla uvažována hypotéza možné struktury vrstvy ve formě nanokrystalického kompozitu nc-TiC/a-C:H. Hypotéza byla potvrzena XRD analýzou velikosti krystalitů (obr. 6). Pouze pro případ vysokého obsahu C (poměr C/Ti > 2) je velikost krystalitů TiC v amorfní matrici C:H okolo 5 nm a lze hovořit o skutečném nanokrystalickém kompozitu. V rozsahu poměrů 0,5 až 1,5 se pohybuje velikost krystalitů nad hranicí 10 nm.

Obr. 6. Velikost krystalitů a mřížkových parametrů stanovených XRD u vrstev s různým poměrem C a Ti

Frikce

Frikční chování vrstev TiC/C s různým poměrem C a Ti bylo studováno metodou ball-on-disc na zařízení CSM. Materiálem kuličky byla ocel 100Cr6, normálová zátěž 5N a rychlost 0,1 m.s-1. Nejnižších hodnot okolo 0,1 a nejlepšího průběhu dosáhla podle očekávání vrstva s vysokým obsahem uhlíku, která je použita jako závěrečná kluzná vrstva povlaku TiC/C. Rovněž hodnoty 0,3–0,4 pro přibližně stechiometrické TiC jsou velmi příznivé (obr. 7).

Obr. 7. CoF vrstev s různým poměrem C/Ti

Závěr

Doménou povlaku TiC/C je tváření a stříhání hliníkových a nerezových plechů. Je alternativou mnohdy provozně velmi komplikovaných a aplikačně úzce specializovaných povlaků DLC. V současnosti probíhá závěrečné provozní ověření u zákazníků. Stávající nabídku PVD povlaků SHM rozšíří povlak TiC/C během 1. pololetí 2016 .

SHM

Ing. Ondřej Zindulka

palouskova@shm-cz.cz

www.shm-cz.cz

Podklady pro článek byly čerpány z disertačních prací Radka Žemličky: Příprava funkčních vrstev metodami PVD, MU Brno, 2016, a Pavla Součka: Deposition of functional nanocomposite coatings by PVD and their characterisation, MU Brno, 2013.

Reklama
Související články
Společný vývoj průmyslového povlaku nové generace

Šumperská firma SHM získala vloni cenu Industrie v soutěži Česká hlava za výsledky vlastního výzkumu a vývoje v oblasti tvrdých tenkých vrstev. Těm se firma věnuje od svého vzniku před 25 lety. Současný vývojový tým vedený doktorem Vjačeslavem Sochorou spolupracuje s řadou veřejných výzkumných institucí a vysokých škol, včetně Masarykovy univerzity. S tou nyní firma pracuje na nové generaci průmyslových povlaků, které mají být nejen velmi tvrdé, ale zároveň i houževnaté.

Vysokoteplotní lubrikanty na bázi vanadu tvořené PVD procesem

Přítomnost vanadu v povlaku mění jeho vlastnosti a největší vliv má na koeficient tření, jehož snížením lze prodloužit životnost nástroje. V naší práci popisujeme, jakými jevy k tomu dochází a jak se změní chování povlaku s přítomností vanadu. Nakonec shrneme výsledky řezných zkoušek odpovídajících rychlořeznému obrábění.

Vysokoteplotní kluzné vrstvy vanadu

Intenzifikace řezných procesů zvyšuje teplotu řezů. S tím souvisejí mimo jiné zvýšené nároky na tepelnou stabilitu použitých otěruvzdorných povlaků. Možným řešením je vývoj PVD povlaků s funkcí vysokoteplotních lubrikantů, které jsou schopny snížením koeficientů tření řezné teploty snižovat. K jedněm ze slibných a již studovaným systémům patří PVD vrstvy s přídavkem vanadu, které za vysokých teplot tvoří Magnéliho oxidické fáze se zmíněnou schopností. Velkým problémem je však trvanlivost těchto fází při mechanickém namáhání v průběhu obrábění. Příspěvek je věnován některým praktickým aspektům přípravy PVD vrstev CrVN a jejich vlastnostem.

Související články
Tvrdé PVD povlaky se zvýšenou lomovou houževnatosti

Společnost SHM Šumperk a Laboratoř PVD technologií Masarykovy univerzity vyvíjejí v úzké spolupráci druhým rokem nový typ ochranných povlaků, které vykazují nejen vysokou tvrdost, ale i zvýšenou odolnost proti tvorbě a šíření trhlin. Mezi úkoly projektu patří experimentální příprava těchto vrstev, studium jejich vlastností, nalezení optimálních parametrů procesu a nakonec otestování u zákazníků. V tuto chvíli je projekt ve fázi přípravy a měření mechanických vlastností dvou povlaků: WBC a TaBC.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Unikátní kombinovaná technologie PVD povlakování

Bigaan je exotický název nové řady PVD povlaků firmy SHM. Povlaky s obsahem boru vznikají při souběhu dvou principiálně odlišných technologií – obloukového napařování a magnetronového naprašování. Firma dokázala využít výhod obou technologií a připravit nanokompozitní povlak na bázi AlCrBN.

Nový segmentovaný nanokompozitní povlak

Společnost SHM se věnuje vývoji nanokompozitních povlaků již od roku 1996. V letošním roce uvádí na trh nejnovější výsledek vývoje - segmentovaný nanokompozitní povlak s obchodním názvem TripleCoating SI.

Nový způsob řízení magnetronové depozice otěruvzdorných povlaků

PVD technologie jsou v průmyslové oblasti poměrně dobře známé, včetně rozdílů mezi principiálně odlišnými metodami obloukového napařování a magnetronového naprašování. Některé nevýhody druhé metody lze eliminovat, případně překlopit do výhody, pokud se využijí nejnovější poznatky výzkumu a vývoje. Společnost SHM zahájila již v roce 2010 přípravu povlaků Darwin novou metodou, ktrerá vychází z vlastní patentované technologie magnetronového naprašování.

Nový výkonný a univerzální PVD povlak

Povlak Bigaan byl uveden na trh již v roce 2018 a uplatňuje se hlavně při frézování ozubených kol do převodovek motorů. Letos společnost SHM představuje jeho druhou generaci, která kombinuje velmi tvrdý základ se závěrečnou kluznou vrstvou ve formě hexagonálního nitridu boru. Aplikační testy u zákazníků vykazují minimálně o 50 % lepší užitné vlastnosti v porovnání s běžně užívanými povlaky.

PVD dvojče pro náročné tváření a lisování

Vývoj nového PVD povlaku pro tváření se tentokrát ubíral docela nezvyklou cestou. Nešlo v principu o vývoj nového systému, ale o technologicky poměrně náročnou kombinaci stávajících povlaků s velmi odlišnými vlastnostmi a s odlišným způsobem depozice. Výsledkem je povlak, jehož chování v náročných tvářecích aplikacích příjemně překvapilo i samotné vývojáře. Výkon samostatných vrstev v těchto aplikacích byl nepřesvědčivý, významné navýšení životnosti tvářecích nástrojů však přineslo jejich spárování.

Povlaky ta-C
připravované magnetronovou depozicí

Diamantové vrstvy jsou svatým grálem otěruvzdorných povlaků připravovaných na řezné nástroje. Existuje řada různých technologií přípravy, v principu rozdělených do dvou skupin: je to technologie nízkoteplotní fyzikální a technologie vysokoteplotní chemická. V našem případě se jedná o fyzikální způsob přípravy vrstev obecně nazývaný jako technologie PVD. Technologie PVD se dále dělí na depozici pomocí nízkonapěťového oblouku a depozici pomocí magnetronového naprašování. Obě metody mají své výhody a svá úskalí.

900 000 nástrojových datových záznamů navíc

Nové rozhraní výrazně rozšiřuje datovou nabídku pro uživatele systému TDM. Ti mají nově k dispozici nástrojová data od více než 40 výrobců, tedy téměř pro každou obráběcí operaci.

Tak trochu jiný povlak

Vývoj PVD povlaků probíhá v průmyslovém měřítku od 90. let. Standardem pro obrábění a tváření se staly různé technologické a chemické obměny vrstev TiAlN a CrAlN. Zdálo se, že v této oblasti již nelze dosáhnout převratnější změny. Ukazuje se však, že to možné je.

Čištění upínacích kuželů nástrojů

Při obrábění je zpravidla věnována značná pozornost kvalitě řezných nástrojů a také způsobu jejich upnutí. Již menší pozornost ale bývá věnována rozhraní upínací kužel - vřeteno stroje. Přitom právě upnutí nástrojové sestavy ve vřetenu obráběcího stroje výrazným způsobem ovlivňuje jak celý proces obrábění, tak i trvanlivost ostří, bezpečnost a v neposlední řadě také životnost upínačů i drahých vřeten strojů.

Pohodlné upínání magnetem

Pokud jde o úsporu času při seřízení a upnutí obrobků bez deformace, je elektricky aktivovaná technologie permanentních magnetů považována za špičkový systém. S trochou konstrukční zručnosti mohou být během sekundy a bez deformace upnuty a z pěti stran obrobeny především velkoformátové díly. Ani v oblasti standardních modulů nezůstává vývoj bez odezvy. Moderní magnetické upínací desky umožňují optické nebo automatizované monitorování upínacího procesu.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit