Jiný úhel pohledu aneb galaxie vlastností povlaků

Se svolením doc. Karla Hrušky z Fakulty elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni začneme příkladem. Svorník transformátorových plechů elektromotoru trakčních aplikací musí být elektricky nevodivý, a to kvůli vířivým proudům a kvůli galvanickému oddělení samotných plechů. Musí být také mechanicky odolný vůči otřepům a ostřinám, vznikajícím při prostřihování otvorů. Jako konstrukční prvek musí být tento svorník schopen přenést zatížení, vznikající při montáži a provozu. A musí být odolný chemicky i teplotně a také vůči vibracím. Jeho cena navíc musí vyhovovat požadavkům oboru automotive. Tento soubor poměrně náročných požadavků definuje vlastnosti finálního řešení. Co tedy použít? Plasty, gumy, skla, keramiky i kompozity jsou mimo hru. Nabízí se tedy určitá kombinace. Ponechme ocel jako jádro. Jak ale odizolovat ocelový svorník? Pokročilou myšlenkou je plazmový nástřik. Teplota, tloušťka a případná pórozita nástřiku nepředstavují až tak velký problém, ale jeho nedostatečná adheze už ano. Nástřik nepřežije bez úhony montáž, a už vůbec ne dlouhodobý provoz. Jeho izolační schopnost je výborná, ale když na svorníku není... Co tedy nakonec použít?

Úspěšná aplikace PVD povlaku bude vždy souhrnem kombinací dílčích vlastností. Pro každý konkrétní řešený problém je možné vydefinovat ty nejdůležitější vlastnosti. Pokud jsou obsaženy v níže uvedeném přehledu, je velmi vysoká pravděpodobnost, že se podaří nalézt povlak nebo kombinaci povlaků se všemi potřebnými vlastnostmi. Přehled je pouze informativní z pohledu řešeného problému. V žádném případě si neklade za cíl ultimativní definici vlastností.

Tvrdost PVD povlaků je asi jejich nejtypičtější vlastností a primárně závisí na jejich složení. Nereaktivně lze připravit velmi měkké čistě kovové povlaky. Nebo reaktivně nitridy, karbidy a oxidy s tvrdostí velmi vysokou. Složení lze pro dosažení požadovaného účinku v povlacích elegantně namíchat nebo střídat. Srovnání tvrdostí PVD povlaků s objemovými materiály je komplikované kvůli jiným měřicím technikám, odvozeným od mikronových tlouštěk těchto povlaků. Diamant má tvrdost okolo 100 GPa, čistě kovové povlaky mají tvrdost přibližně 4–8 GPa, běžné nitridické PVD povlaky 15–40 GPa a nejtvrdší 70–75 GPa. S jistou mírou nepřesnosti lze pro hrubé porovnání použít Vickersovu stupnici. 60 HRC u kalených ocelí odpovídá přibližně 700 HV, tvrdost diamantu okolo 10 000 HV a tvrdost PVD povlaků 1 500 – 7 500 HV. PVD vrstvy jsou tedy až řádově tvrdší než kalené oceli.

Je v přímé souvislosti s tvrdostí, alespoň v aplikacích s nízkou kontaktní teplotou. Většina povlaků vznikla původně pro obrábění a tváření, a jejich otěruvzdornost je tedy mimořádná. Pokud ale z vašich dílů mizí desetiny a jednotky milimetrů, nebude PVD povlak kvůli své mikronové tloušce to pravé ořechové. Někdy ještě může pomoci kombinace s nitridací, lepší tepelná úprava nebo kvalitnější podkladový materiál.

Pro zmíněný svorník se jedná o nejdůležitější vlastnost. Měření dielektrických vlastností je ovšem poměrně obsáhlou oblastí. V následujících grafech jsou měření dielektrických parametrů PVD povlaku Sinel, která se pro tuto aplikaci jeví jako nejvhodnější.

Na Fakultě elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni byly testovány širokopásmovou dielektrickou spektroskopií dvě tloušťky povlaku: 6,8 a 13,1 µm (viz obr. 2 a 3).

Z výsledků je patrné, že zkoušené vzorky vykazují při nízkých frekvencích poměrně velkou relativní permitivitu, která má až do řádu stovek hertzů hodnotu vyšší než 3. Vzorky jsou tedy kvalitními izolanty. Ztrátový činitel, který definuje ztráty v samotném povlaku, se pohybuje v hodnotách poněkud vyšších (desetiny až jednotky), nicméně klesá k řádům setin na frekvencích v řádech megahertzů.

Další měření provedl špičkový tým prof. L. Grmely z Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně. Měřeny byly elektrické vlastnosti povlaku o tloušťce 8,6 µm. Jednalo se o frekvenční a teplotní závislost parametrů R_S a C_S sériového náhradního obvodu. Měření ukázalo, že frekvenční charakteristiky sériového náhradního obvodu (viz obr. 4 a 5) jsou teplotně závislé.

V oblasti nízkých frekvencí vzrůstá s rostoucí teplotou hodnota sériové kapacity C_S a naopak sériový odpor R_S s teplotou klesá. Ve frekvenční oblasti nad 100 kHz dochází k rezonancím. Pro nízké frekvence je závislost C_S na frekvenci mocninná. Parametr R_S je na frekvenci nezávislý až do mezní frekvence, která je teplotně závislá. Sériový odpor R_S pro nízké frekvence klesá exponenciálně s teplotou. Na obr. 6 je zobrazena teplotní závislost parametru R_S na teplotě pro frekvenci 20 Hz, proložená exponenciální funkcí.

Nejběžnějším způsobem hodnocení teplotní stability je měření tvrdosti při různých teplotách žíhaných vzorků. Pokud se žíhání provádí ve vakuu nebo v ochranné atmosféře, jedná se o strukturní „nechemickou“ stabilitu. Většina PVD povlaků přežije spolehlivě 400 °C, ty nejlepší více než 1 100 °C. Z pohledu reálných aplikací je to trošku podraz, pokud nejsou provozovány právě ve vakuu nebo ve spolehlivé neoxidační atmosféře. Mnohem realističtější je žíhání na vzduchu, popř. v technickém vzduchu, tedy s kyslíkem a vodní párou. Hodnoty jsou mnohdy výrazně nižší, ale optimalizované povlaky opět přežijí teploty nad 1 000 °C. Kompaktní PVD povlaky mohou poskytnout účinnou ochranu pro podkladové materiály.

Reálné dílce jsou kromě provozního namáhání ve většině případů vystaveny také působení okolního, mnohdy značně chemicky agresivního prostředí. Koroze je tak všudypřítomným problémem. Při reakci základního materiálu s prostředím dochází k rekombinaci a ke vzniku korozních produktů (např. oxidů), k oslabování hranic zrn materiálu a ke vzniku lokálních defektů, které mohou zasahovat do značné hloubky. Většina PVD povlaků již v základu poskytuje velmi dobrou korozní ochranu díky svým velice silným iontovým vazbám a značné chemické stabilitě. Tlusté povlaky CrN a CrNx jsou velmi dobrou první volbou a skvělou alternativou ke standardním řešením, jako je např. chromování.

Dobrá adheze PVD povlaku k substrátu je základním předpokladem pro úspěšnou aplikaci. Povlaky pro obrábění a pro tváření musí mít v principu adhezi velmi dobrou. Pro většinu komponentů tato adheze bez problémů vyhovuje. Je testována empirickým, tzv. Mercedes testem, založeným na vyhodnocování přídržnosti povlaku na kontrolním vzorku deformovaném Rockwelovým vtiskem. Povlak mnohdy rozpraská, ale od vzorku se neodlomí. O něco horší, ale pro většinu komponentů naprosto dostatečná adheze je spojena s nízkoteplotními procesy (s teplotou okolo 180 °C).

Povlaky mají ve většině typických tlouštěk snahu kopírovat podklad a oproti glazuře nemají tendenci povrch „vyhlazovat“. Mají svoji drsnost (okolo 0,02–0,1 µm na 1 µm tloušťky podle použité povlakovací technologie), tu však lze snížit následným leštěním. Běžnou strojařskou drsnost tedy PVD povlaky nezhoršují.

Typická tloušťka PVD vrstev je 2–5 µm, v odůvodněných případech – například u elektricky nevodivých vrstev, difuzních bariér nebo aplikací s enormně velkým otěrem – je 10–25 µm. Ve většině aplikací tak nedochází ke kolizi s výrobními tolerancemi. Pokud ano, lze tloušťku vrstvy řídit v rozsahu přibližně 0,5–2 µm a velkou část strojírenských dílů lze podle potřeby předupravit.

PVD technologie je „teplomilka“. Optimální povlakovací teploty jsou 450–550 °C. Je to z důvodu odplynění dílů ve vakuových aparaturách a především kvůli chemismu růstu vrstev, nicméně řadu povlaků lze nanášet již od teplot 180 °C, a to s adhezí vyhovující způsobu nasazení komponent.

Povlakovat lze ledasco. Preferovány jsou materiály s alespoň částečnou elektrickou vodivostí a teplotní odolností – oceli, slitiny hliníku, cermety, slinutý karbid – ale ne nezbytně, povlaky je možné nanést i na sklo, keramiku a plasty.

Dokončeme příklad se svorníkem z úvodu. Základním požadavkem je tedy elektrická nevodivost (dielektrická pevnost / průrazné napětí > 1 kV), následovaná mechanickou odolností (tvrdost, otěruvzdornost), chemickou stabilitou (provozní prostředí automobilu, vzduch coby chemické činidlo), teplotní stabilitou (při provozu motoru může docházet k nárůstu teplot k 200 °C) a dobrou adhezí (ohybový test svorníku). Co z toho vychází pro PVD povlaky? Z popisu vlastností PVD povlaků v předchozím přehledu vypadá jejich nasazení jako dobrá volba, dále je však potřeba dohledat konkrétní povlak. Pro rychlý výběr je na stránkách www.shm-cz.cz k dispozici přehled všech aktualizovaných informací k vlastnostem PVD povlaků a některých aplikací.

Řešení z pohledu povlakáře: musí to být reaktivně nanesený povlak. Nanesení povlaků čistých kovů stačit nebude, takže je třeba použít nitridy, karbidy a oxidy. Z hlediska dielektrické pevnosti jsou na tom nejlépe oxidy, ty však běžné metody PVD moc kvalitně nanášet nedokážou, takže se nabízejí nitridy. Běžné nitridické povlaky nejsou špatné, ale izolační pevnosti > 1 kV nedosahují. Naštěstí je k dispozici jedna anomálie: povlak na bázi křemíku, která má už při tloušce 5 µm DC izolační pevnost téměř 2 kV (při tloušce 10 µm 3,3 kV). Elektricky vyřešeno. Povlak má i solidní plastickou tvrdost okolo 25 GPa, srovnatelnou s TiN. Chemická a tepelná stabilita je enormní. Jde o jeden z mála povlaků, které na vzduchu (ne vakuum, ne dusík) přežijí > 1 000 °C. Ekonomicky lze nanést tloušku i 10 µm, což by byla velká rezerva provozní spolehlivosti. Adheze i při 10 µm je na ocelovém svorníku perfektní. Ohybový test, který zahrnuje smotání svorníku na průměr přibližně 5 cm, nezpůsobí delaminaci povlaku. Tento povlak se tak jeví jako vhodná volba podle všech kritérií.

Závěr? Elektricky izolační povlak s potřebnými vlastnostmi vhodný pro galvanické oddělení svorníku transformátorových plechů existuje.

PVD povlakování nabízí navíc velmi cenný bonus. Vlastnosti PVD povlaků lze ve většině případů pro konkrétní aplikaci vhodně kombinovat a nalézt původně neplánovaný přínos. Pro zmíněný svorník nemusí být povlak strukturně pouze monovrstvou, ale například lze na ocelový podklad nanést vrstvu elektricky nevodivou, vložit vodivou indikační mezivrstvu pro kontrolní kontakt, překrýt ji opět nevodivou vrstvou a na povrch nanést dekorativní či ochrannou vrstvu o vysoké tvrdosti. Možností je takřka galakticky neomezeně…