20 let vývoje průmyslových PVD technologií

Myšlenka zakladatelů společnosti zabývat se PVD technologiemi s cílem připravit supertvrdé povlaky spadá do počátku 90. let minulého století. V tehdejším Československu se v průmyslové podobě objevovaly ruské „bulaty“ pracující na principu nízkonapěťového oblouku a několik zařízení pracujících na principu magnetronového naprašování, zčásti jako produkt českého výzkumu a vývoje a zčásti jako zahraniční zařízení. Zmapovat tehdejší situaci by ale zabralo hodně času a není to ani cílem tohoto článku. Podstatné bylo, že sortiment PVD povlaků, průmyslově připravovaných v těchto zařízeních, byl značně omezen. Jejich nabídka nebyla širší než TiN, TiCN, ZrN a možná CrN. Ve světě se už začaly objevovat povlaky TiAlN, ale pouze v laboratorním měřítku. Tyto typy povlaků měly řešit nedostatky předchozích, a to dosažení vysoké tvrdosti při zajištění vysoké tepelné a chemické odolnosti. Na tuto oblast povlaků s vysokými tvrdostmi a chemicko-tepelnou stabilitou se zaměřil vývoj společnosti SHM.

V roce 1995 se objevují, opět ale pouze na konferencích, zmínky o vícesložkových povlacích s přídavky Si, Y, Nb atd. Nejzajímavější se jevila nová struktura TiSiN prezentovaná čínským profesorem Li Shi Zi. V té době již byly povlaky TiAlN obecně známé, jejich příprava komerčně možná, ale do běžné nabídky výrobců nástrojů se dostávaly velmi ojediněle. Proto zde byl stále dostatečný prostor pro nováčky v oboru, pokud přijdou s něčím novým. My jsme se zpočátku zaměřili na vývoj a průmyslovou přípravu standardních povlaků TiN a TiAlN, abychom si osvojili veškerá úskalí průmyslové technologie. Již ve stejném roce 1995 jsme však na základě inspirace prací čínského vědce zahájili experimenty s povlaky TiAlSiN. Od roku 1996 začíná průmyslová příprava těchto povlaků, a to především na vyměnitelné břitové destičky (VBD) Pramet. SHM se tak stala první firmou na světě, která takový druh povlaků, pro nějž se teprve později vžívá název nanokompozitní povlak, komerčně připravuje. A Pramet je první firmou na světě, která nanokompozitní povlaky začala používat pro své standardní výrobky.

Naše PVD technologie byly od počátku založeny na principu obloukového odpařování. V letech 1994 až 1999 jsme PVD technologie provozovali na systému s pracovním názvem Hercules, od roku 1999 dodnes na systému Punťa a od roku 2001 na systémech s rotačními katodami s pracovními názvy Marwin, ORM a na celé řadě zařízení Pi vyvíjených a vyráběných dceřinou společností Pivot.

Rozdíly v principech těchto vývojových stupňů lze znázornit na historických schématech. První – z dnešního pohledu nejprimitivnější – systém Hercules pracoval s centrální segmentovou elektrodou, na které byl oblouk řízen pomocí magnetického pole. Nevýhodou byly malé rozměry, z toho vyplývající malá povlakovatelná výška a určitý stupeň nejistoty ve složení povlaku díky segmentovému uspořádání.

Tuto poslední nevýhodu řešil systém Punťa, kde byly dvě centrální elektrody oddělené (na historickém schématu symbolicky znázorněné izolací). Pro depozici jsme využili dvou katod z různých materiálů. Pohyb katodové skvrny byl řízen na každé katodě zvlášť – nezávisle. Nevýhodou zůstávala poměrně malá povlakovatelná výška a omezení rychlosti pohybu katodové skvrny a s tím související vyšší tvorba tzv. makročástic.

Zásadní průlom v průmyslové přípravě přišel až s rotačními katodami, jejichž princip jsme si nechali v roce 2000 patentovat. Proti předchozímu uspořádání přinášel systém rotačních katod řadu výhod:
• delší dobu mezi výměnami targetů, tj. vyšší trvanlivost odpařovaných targetů (je to i významná výhoda proti běžným planárním systémům);
• větší rovnoměrnost tlouštěk povlaků po výšce substrátů;
• lepší stechiometrie (složení) po celé výšce;
• možnost přípravy multivrstevných a především nanovrstevných povlaků a jejich optimalizace;
• odpařování až 4 různých materiálů v jednom procesu;
• čištění substrátů jak pomocí MIE (Metal Ion Etching), tak i v kombinaci s LGD (Larc Glow Discharge);
• větší povlakovací komora, tedy větší vsázky;
• snazší tvorba nanokompozitů – v našem případě povlaků na bázi TiAlSiN a CrAlSiN.
Unikátnost řešení obloukové technologie s rotačními katodami (nejde jen o rotační princip, ale i o řidicí systém oblouku, který je ukryt uvnitř katod) a možnost průmyslově připravovat nanokompozitní povlaky byly velkou motivací pro našeho obchodního partnera, švýcarskou firmu Platit AG, k založení společného podniku na vývoj, výrobu a servis povlakovacích zařízení. Celá řada povlakovacích zařízení Pi80, Pi111, Pi300 (311) a Pi411, která je od roku 2003 nabízena na světovém trhu, využívá stejný princip.

Poslední zásadnější pokrok ve vývoji technologií jsme uskutečnili v roce 2010, kdy jsme představili systém Darwin, hybridní technologii. Jde o kombinaci obloukové a magnetronové technologie, ale v našem případě opět s patentovaným centrálním magnetronem, který umí řešit některé nevýhody magnetronových technologií v oblasti přípravy tvrdých a supertvrdých povlaků. Proč říkáme hybridní? Jde o to, že lze obě principiálně odlišné technologie kombinovat současně a vytvářet tak nové, „neotřelé“ povlaky. To je zcela odlišné od konkurenčních principů. Tato technologie se začíná nabízet v nových zařízeních Pi411 s obchodním označením SCiL.

Uživatele povlaků však nemusí zajímat technologie jejich přípravy, zda je rychlejší a elegantnější, či unikátní. Uživatele zajímá výsledek a tím je PVD povlak. Co se od něj očekávalo a očekává?

Původní požadavky směřovaly ke zvýšení otěruvzdornosti řezných nástrojů z rychlořezné oceli. To byl snad první impulz v tomto oboru. Později, ve zmíněných devadesátých letech, byly požadavky rozšířeny na ještě vyšší tvrdosti, tepelnou stabilitu a nízký koeficient frikce. Dnes je rozsah aplikací PVD povlaků tak velký, že i tradiční požadavky doznaly značného rozšíření. Povlaky musí být dostatečně houževnaté, musí kombinovat vysokou tvrdost i nízký koeficient frikce, musí mít různou chemickou afinitu k obráběným či tvářeným a jinak zpracovávaným materiálům, musí mít odlišnou barvu dle oblasti použití, musí se dát snadno odstranit v případech renovací povlakovaných nástrojů atd. K tomu nám dnes slouží velmi flexibilní technologie, která umožňuje kombinovat mnoho složek v jednom procesu, vytvářet multivrstevné a nanovrstevné struktury, kombinovat PVD a PACVD technologie a především přesně a opakovatelně řídit celý proces.

Zmíněný nanokompozitní povlak TiAlSiN s pozdějším označením Marwin Si jsme začali průmyslově připravovat v roce 1996. Už v té době byla jeho extrémně vysoká tvrdost přesahující 45 GPa velmi unikátní. Povlak měl víceméně homogenní strukturu bez gradientů a multivrstev. Dodnes je tento povlak v naší nabídce, pouze s malou změnou určitého gradientu obsahu Al. Byl to náš dlouholetý spolupracovník profesor S. Vepřek z Technické univerzity v Mnichově, kdo nám pomohl interpretovat zvláštní strukturu našeho povlaku. Profesor Vepřek je autorem zásadní práce v oblasti nanokompozitních povlaků z roku 1995. Schéma, které jsme společně vytvořili pro pochopení struktury, je dodnes citováno a používáno v mnoha dalších pracích.

Náš vývoj i díky pochopení podstaty tvorby nanokompozitních struktur doznal pokroku velmi rychle. Dokázali jsme, že náš povlak si zachovává své vlastnosti i po vysokých tepelných expozicích. Zopakujme naši definici: „Nanokrystalický kompozitní povlak je systém tvořený malými monokrystaly v rozsahu pod 10 nm (v případě povlaků Marwin se jedná o (Ti1-xAlx)N); v případě povlaků Alwin se jedná o (Cr1-xAlx)N)), které jsou zakotveny ve vhodné amorfní matrici (v případě obou povlaků jde o Si3N4) s tenkými mezikrystalickými hranicemi pod 1 nm. Jsou to termodynamicky stabilní materiály, a to i z hlediska zrnitosti. Nedochází tedy k růstu zrnitosti ani za vyšších teplot. Hranice zrn slouží jako efektivní bariéra proti šíření poruch.“

Co se týká druhé varianty na bázi CrAlSiN, k jejímu vývoji vedla ještě dlouhá cesta a my jsme tento typ povlaků začali připravovat až na zařízení s rotačními katodami v roce 2003. V následujícím roce jsme jej začali komerčně nabízet pod již zmíněným obchodním názvem.

Co dalšího nám ještě umožnilo zařízení s rotačními katodami? Přípravu nanovrstev. Nanovrstvy nebo supermřížky jsou tvořeny soustavou střídajících se velmi tenkých vrstev s různými vlastnostmi. Přitom tloušťka jednotlivých vrstviček je rozhodující pro výslednou vlastnost povlaku a její optimum se pohybuje v rozsahu 3 až 10 nm podle prvkového složení povlaku. Výsledkem jsou povlaky s velmi vysokou tvrdostí a odolností vůči šíření mikrotrhlin. Pokud využijeme kombinace řízené rotace nástrojů během povlakování s rychlostí růstu povlaků, dokážeme na našich systémech snadno připravovat takovéto struktury. Tento princip je využíván v konkrétních aplikacích především na řezných nástrojích.

Aby toho nebylo málo, kombinujeme ještě více struktur v jednom povlaku, a to opět díky rotačním katodám. Příkladem jsou povlaky TripleCoatings, které představují nejmodernější povlaky na trhu a kombinují vynikající houževnatost a tvrdost vrstev AlTiN a extrémně vysokou tvrdost nanokompozitních vrstev.

Přeskočili jsme však celou etapu vývoje ostatních typů tvrdých a kluzných povlaků. Díky rotačním katodám a flexibilitě řízení složení povlaků jsme mohli plně využít různých forem multivrstev a gradientních struktur. Náš povlak Marwin G, který je tvořen na bázi AlTiN s gradientním nárůstem Al, je dodnes jedním z nejrozšířenějších povlaků v oblasti řezných nástrojů. Multivrstevné struktury jsme zase uplatnili především pro dominantního zákazníka Pramet Tools pro jeho vyměnitelné břitové destičky. Poptávka po povlacích s nízkým koeficientem frikce nás vedla k vývoji vlastní verze kluzného povlaku. Kombinujeme jej s tvrdým podkladem Marwin Si nebo Marwin G, a tak získáváme povlaky Lubrik Si nebo Lubrik G. Kluzný povlak je připravován kombinovanou PACVD technologií. Jeho složení je na bázi uhlíku, ale struktura je poměrně komplikovaná. Povlak slouží především v počátečních fázích nasazení nástrojů, kdy významně zlepšuje zaběhnutí nástroje.

S technologií Darwin jsme představili hladké povlaky AlTiN a také CrAlN. Jejich použití je především v oblasti vystružování, hlubokého vrtání apod. Nové povlaky z této technologie, a to na bázi TiC/C, jsou již ve fázi průmyslového ověřování. Jedná se o výsledek spolupráce s Masarykovou univerzitou v Brně. Povlak má vysokou tvrdost, nízký koeficient frikce a poměrně vysokou tepelnou stabilitu. Pokud se výzkum a vývoj podaří dotáhnout až k našim cílům, získáme nový nanokompozitní povlak s velmi unikátními vlastnostmi.

Možná pro zajímavost je dobré zmínit cestu od vývoje, průmyslového zvládnutí a následně i masového nasazení nějakého povlaku. Jak jsme již zmínili, na začátku 90. let byly povlaky TiAlN známy, ale jejich průmyslové a masovější nasazení proběhlo nejméně o deset let později. Nasazení našich povlaků CrAlSiN do výroby bylo otázkou měsíců. Ale opravdu zajímavé uplatnění si našly až po 4 až 5 letech. Dnes to jsou naše nejdynamičtěji se rozšiřující povlaky – jak co se týká objemu, tak i počtu nových aplikací. S povlaky Alwin se prosazujeme tam, kde ostatní nemají co nabídnout nebo nás se zpožděním následují. Podobně dobrý osud očekáváme i u povlaků Darwin a TripleCoating.

V tomto článku jsme se zmínili pouze o technologiích a povlacích. Pro povlakovací centra je ovšem neméně důležité zvládnutí dalších technologií úprav, čištění a měření, stejně jako zvládnutí celé logistiky velmi rychlého průběhu výroby, což představuje většinou 24 až 48 hodin. I to jsme se během těch 20 let naučili a vytvořili jsme si pro to vynikající zázemí.

RNDr. Pavel Holubář

SHM
holubar@shm-cz.cz
www.shm-cz.cz