Témata
Reklama

Aplikace nových modifikací třívrstvých PVD povlaků

Ke konci roku 2008 jsme podrobně popisovali strukturu a modelování nových PVD povlaků s obchodním označením TripleCoatings3. Jejich základní řada byla vyvinuta na povlakovacích zařízeních Pi300. Dnes existuje již širší řada podobně strukturovaných PVD povlaků pro nejnáročnější aplikace. V tomto článku chceme prezentovat zákaznicky orientované povlaky vyvinuté v SHM Šumperk a výsledek společného vývoje nového řezného nástroje společnosti Pramet Tools.

Jen pro připomenutí - TripleCoatings3 mohou být připraveny především díky obloukové technologii pracující s rotačními, většinou neslitinovými targety. Základní konfigurace povlakovacího zařízení Pi300 pracuje s 3+1 katodami. Tři LARC katody (LAteral Rotating Cathodes) jsou ve dveřích a jedna CERC katoda (CEntral Rotating Cathode) je uprostřed povlakovací komory. Struktura a složení povlaků jsou volně programovatelné. Struktura TripleCoatings3 je následující:

  • tenká (~200 nm) adhezní vrstva je deponována z čistého Ti nebo Cr targetu (katody);
  • houževnatá základní vrstva (TiAlN-AlTiN) je deponována s pomocí centrálního (AlTi) targetu (katody) a z Ti targetu (katody) umístěného ve dveřích;
  • povrchová velmi tvrdá a otěruvzdorná vrstva může být tvořena CrAlN/SiN, resp. TiAlN/SiN nanokompozitním povlakem. Povrch je tak extrémně tvrdý a tepelně odolný.
Reklama
Reklama
Reklama
Obr. 1. Povlak TripleCoatings3 TiN + AlTiN + TiAlSiN

Aplikace povlaků TripleCoatings3

Typickým představitelem TripleCoatings3 je povlak TiN + AlTiN + TiAlSiN, který je znázorněn na obrázku 1. Na obrázku 2 jsou prostorově znázorněny katody v zařízení Pi300, které v konfiguraci z obr. 1 umožňují přípravu takovéhoto povlaku.

V SHM bylo vyvinuto několik variant TripleCoatings3 s různými poměry jednotlivých prvků a jejich kombinacemi. Výsledkem jsou vždy unikátní povlaky s výrazně vyššími užitnými vlastnostmi pro požadované aplikace. Prioritou vývoje byly především aplikace na vyměnitelné břitové destičky (VBD) společnosti Pramet Tools a na monolitní SK nástroje pro náročné obrábění. Představujeme dva výsledky jako reprezentanty aplikací, kde byl PVD povlak „ušit na míru".

Obr. 2. Rozmístění katod v povlakovacím zařízení Pi300

Frézování kalených ocelí

První příklad je z oblasti spolupráce se společností Pramet Tools na vývoji nových materiálů VBD, které zahrnují i PVD povlak. Jednalo se o frézování kalených ocelí.

Byly testovány jak původní VBD s PVD povlakem starší generace, tak i nové VBD s povlaky dvou konkurenčních povlakovacích center a zmíněný TripleCoatings3 v provedení s TiAlSiN nanokompozitním povlakem na povrchu. VBD pro všechny testy s novými povlaky byly z jedné výrobní šarže. Výsledky testů jsou znázorněny v grafu 1. Stav řezné hrany destičky s povlakem TripleCoatings3 po 37 minutách obrábění je na obrázku 3.

Parametry testů:

  • aplikace: suché frézování (do rohu);
  • nástroj: VBD typ ADMX 160608SR-M;
  • povlak: TripleCoatings3 (TiAlSiN), 2x konkurenční PVD povlak a původní VBD;
  • obrobek: ČSN 19552, 54-58 HRC;
  • operace: frézování, vc = 62 m.min-1; fz = 0,18 mm; ap = 6 mm; ae = 50 mm.

Jednoznačné šestinásobné prodloužení trvanlivosti nástroje svědčí o vhodnosti nového povlaku TripleCoatings3 pro obrábění kalených materiálů.

Obr. 3. Řezná hrana destičky s povlakem TripleCoatings3 po 37 minutách frézování v kalené oceli

Suché frézování kalené oceli

Druhý příklad vychází z vývoje vlastní laboratoře obrábění, ze suchého frézování kalené oceli. Řezné podmínky zkoušky představují jednu ze standardních variant testování kombinace nástrojů a povlaků ve vývoji a výrobě SHM. Porovnávaly se tři PVD povlaky, všechny z vlastní produkce. Dva z těchto povlaků měly strukturu TripleCoatings3, jeden představoval povlak Darwin připravený novou technologií, představenou koncem roku 2009. Povlak TripleCoatings3 Alwin je vlastní modifikovaná varianta povlaku na bázi CrAlSiN.

Graf 1. Výsledky testů povlaku TripleCoatings3 provedených ve spolupráci se společností Pramet Tools
Graf 2. Porovnání různých povlaků v standardní řezné zkoušce; všechny nástroje byly upraveny omíláním v zařízení Otec před povlakem.

Výsledek řezné zkoušky je v grafu 2. Kritériem trvanlivosti byl otěr VB = 140 µm.

Parametry řezné zkoušky:

  • aplikace: frézování - CNC Fehlmann - laboratoř SHM;
  • nástroj: 2břitá SK fréza, Ø10;
  • povlak: TripleCoatings3 nACo3, TripleCoatings3 Alwin, Darwin;
  • obrobek: ocel ČSN 19437, 40 HRC;
  • operace: suché frézování, vc = 150 m.min-1, f= 0,05 mm, ap = 2,5 mm, ae = 0,5 mm.

Z výsledků je zřejmé, že i v sortimentu významně sofistikovaných povlaků lze optimalizovat jejich užitné vlastnosti s ohledem na danou aplikaci se zajímavým přínosem.

Optimalizace moderních nástrojů s pomocí nových PVD povlaků řady TripleCoatings3 je stále otevřený proces. Možnosti kombinací složení a struktury těchto flexibilních povlaků jsou obrovské. Proto se dá očekávat, že i v budoucnu bude sortiment těchto povlaků širší. V jednom ze zmíněných příkladů jde o společný vývoj výrobce nástrojů a povlakovacího centra. Takový druh spolupráce, využívající v maximální míře koncentrované odborné kapacity, přináší rychlé inovace s výjimečnými technicko-ekonomickými přínosy.

RNDr. Pavel Holubář,

RNDr. Michal Šíma,

Ing. Vladimír Maixner, MBA

holubar@shm-cz.cz

SHM

Reklama
Související články
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.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
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.

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.

Z garáže až na vrchol v PVD technologii povlakování

Pavel Holubář je ředitelem průmyslové společnosti SHM. Tato zkratka značí Super Hard Materials, a to je přesně to, o co tu jde. Zjednodušeně řečeno jde principiálně o fyzikální metody nanášení tenkých vrstev na nástroje, kdy nanesená několikamikronová vrstva dává materiálu zcela jiné mechanické vlastnosti. Především podstatně prodlužuje jeho životnost. Jaká byla 25 let trvající cesta až na samotný vrchol, kdy technologie firmy SHM jsou v současné době rozesety ve 35 zemích světa? O tom – a nejen o tom – jsme si s Pavlem Holubářem povídali.

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.

Prestižní ocenění za vývoj PVD povlaků

„Česká hlava je největší projekt pro rozvoj české vědecké a technické inteligence, tedy té části společnosti, která bývá mnohdy upozaděná, ačkoliv na ní stojí prosperita naší země,“ stojí na webových stránkách soutěže, která vznikla před 18 lety a neoficiálně se jí také říká „česká nobelovka“.

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.

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.

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.

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.

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