Témata
Reklama

Moderní metody povlakování nástrojů

Moderní povlakovací metody se staly neodmyslitelnou součástí průmyslové praxe. Pro některé materiály a operace je použití otěruvzdorných a tvrdých povlaků absolutní nezbytností, pro ostatní jsou klíčem k větší efektivnosti a produktivitě.

Pro povlakování vyměnitelných břitových destiček řezných a tvářecích nástrojů se používají v principu dvě metody. Je to CVD (Chemical Vapour Deposition) a druhou je PVD (Physical Vapour Deposition). CVD využívá pro depozici směs chemicky reaktivních plynů (např. TiCl3, CH4, AlCl3, apod.), zahřátou na poměrně vysokou teplotu 900 - 1100 °C. PVD technologie je založena na fyzikálních principech - odpaření nebo odprášení materiálů obsažených v povlaku (Ti, Al, Si, Cr aj.), ionizaci a jejich následné nanesení na nástroje.
Reklama
Reklama
Reklama

PVD technologie nízkonapěťového oblouku

Odpařování pomocí nízkonapěťového oblouku patří v oblasti povlakování řezných a tvářecích nástrojů k metodám nejfrekventovanějším. Důvodů je několik. Nízkonapěťový oblouk je výhodný pro svoji relativně vysokou rychlost odpařování materiálu elektrod a současnou vysokou ionizaci plazmatu. Díky tomu se obloukové technologie v průmyslovém měřítku řadí k technologiím poměrně časově nenáročným. Délky procesů se pohybují v řádu několika málo hodin. Vysoká ionizace plazmatu zase přináší možnosti přípravy povlaků a struktur běžně se v přírodě nevyskytujících. Parametry nízkonapěťového oblouku jsou velmi zajímavé. Oblouk hoří na povrchu katody v místě katodové skvrny o průměru řádově 10 µm a dosahuje teploty okolo 15 000 °C. Za těchto podmínek lze odpařit prakticky každý elektricky vodivý materiál.
Princip povlakování lze velmi dobře přiblížit ze schématu PVD zařízení. Materiál je obloukem odpařován z elektrod a zároveň je jím i ionizován (atomy materiálu se mění z elektricky neutrálních na atomy s nábojem). Ionizovaný materiál (např. Ti+, Ti2+ atd.) je urychlovaný směrem k nástrojům záporným předpětím, které je na ně přiloženo. Cestou ionizuje ještě atomy plynné atmosféry (např. N2, Ar, ..). Ionizované atomy po dosažení povrchu nástrojů vytvářejí povrchovými reakcemi vlastní deponovanou vrstvu.

Technologie pro přípravu nanokrystalických kompozitů

Podstata metody je zřejmá. Tím, čím se liší obloukové technologie poskytované jednotlivými výrobci PVD zařízení, je především míra kontroly vlastností oblouků, uspořádáním povlakovací komory a know-how z oblastí materiálového inženýrství, které přímo ovlivňují finální vlastnosti povlaků. Jedním z měřítek úrovně povlakovací technologie může být i schopnost připravovat vyspělé struktury, jako např. nanokrystalické kompozity či nanostrukturované vrstvy.
Podstatou přípravy nanokrystalických kompozitů, např. nc-(Ti1-xAlx)N/a-Si3N4, je splnění požadavku na řízené odpaření velkého množství částic a jejich velkou ionizaci. Tato podmínka platí nejenom pro materiál elektrod, ale i pro částice atmosféry. Obě lze splnit využitím poměrně silného magnetického pole, které potřebným způsobem ovlivní hoření oblouků při relativně vysokých parciálních tlacích reakčních atmosfér. Jednoduché, ale... Konvenční PVD zařízení jsou vybavena tzv. planárními elektrodami (plochými, ve tvaru desek či malých kruhů) a na nich při použití silného magnetického pole dochází k nadměrné a soustředěné erozi a k jejich podstatně dřívějšímu vyřazení z procesu. Silné magnetické pole rovněž redukuje tvorbu makročástic a tím je i výhodné z hlediska vrstev se sníženou drsností. Problém eroze však lze technicky velmi elegantně vyřešit pomocí rotujících válcových elektrod, jejichž účinná plocha je v podstatě ?krát větší a díky rotaci nedochází ke zmíněné statické erozi. Řešení válcových elektrod splnilo podmínku přípravy nc-vrstev TiAlSiN při současném prodloužení životnosti targetů.

Uspořádání povlakovacích komor

Vnitřní aranžmá povlakovací komory s využitím rotujících válcových elektrod může být v principu trojí. Elektrody mohou být v zařízení umístěny ve středu komory, centrálně k povlakovaným nástrojům anebo vně nástrojů, např. ve dveřích komory. Poslední variantou je kombinace centrálního a bočního umístění. V různých pozicích se navíc může měnit i počet targetů. Pro přípravu složitějších a vícekomponentních povlaků není výjimkou použití dvou, tří i čtyř různých targetů, mnohdy i s odlišnou funkcí. Například již užití dvou elektrod je velmi zásadní. Různými hodnotami proudů na elektrody a jejich poměrů lze měnit stechiometrii, rychlost růstu a částečně i drsnost vrstev bez fyzické výměny materiálu elektrod. Takto se připravuje základní struktura povlaků na úrovni - mono-, multi- a gradientních vrstev.
Zmíněná rotace nástrojů vykonávajících planetový pohyb je rovněž velmi důležitým parametrem, ovlivňujícím řezný výkon povlaků. Synchronizací rychlosti rotace ve vztahu k proudům na elektrody lze dosáhnout z hlediska tvrdosti optimalizované tloušťky nanovrstev (nanomultivrstev) cca 5 - 7 nm. V současnosti průmyslově využívané vrstvy jsou už většinou kombinací základních struktur. Sestávají mnohdy i z desítek mono-, multi- a gradientních vrstev různých parametrů sladěných podle nároků předpokládané aplikace. Pro přesné řízení depozice je již naprosto nezbytné používat počítačem řízené systémy.

Povlakovací cyklus

Nejenom samotné vrstvy jsou základem funkčního povlaku. Povlakovací cyklus je mnohem komplexnější. Když pomineme technologicky poměrně náročné kroky předpřípravy nástrojů, ke kterým patří např. pískování, stripping, čištění či nakládání, lze samotný povlakovací cyklus rozdělit na odčerpání komory, ohřev, procesní čištění, depozici adhezních a výkonových vrstev a závěrečné chladnutí.
Oblouková technologie pracuje s teplotami 400 - 550 °C. Tyto relativně vysoké teploty jsou nutné především pro termodynamicky řízené procesy růstu vrstev. Typickým příkladem může být depozice již zmíněných nanokrystalických kompozitů, které vznikají spinodální dekompozicí. Tento děj je velmi citlivý na teplotu. Při nižších teplotách není dekompozice dokončena a povlak bude vykazovat nižší tepelnou a mechanickou stabilitu. Pokud má být nástroj povlakován obloukovou technologií, je nezbytné při jeho konstrukci zohlednit také vhodný materiál s dostatečně vysokou popouštěcí teplotou.

Vlastnosti povlaků

V historických počátcích se PVD technologie potýkala s problémem nedostatečné adheze povlaku k podkladovému materiálu. Povlak se při nasazení nástrojů jednoduše oloupal. V porovnání s CVD technologií nevzniká vůbec nebo jen velmi omezeně difuzní spojovací vrstva, zůstává ostré rozhraní a adhezní síly jsou realizovány fyzikálním způsobem. Oblouková technologie řeší vyhovující adhezi v několika krocích: odplyněním nástrojů při ohřevu (550 °C) a evakuaci (10-3 Pa) a následně iontovým čištěním s využitím doutnavého výboje a iontového leptání. Obojí poskytuje téměř dokonalé očištění povrchu nástrojů na atomární úrovni. V posloupnosti posledním krokem k dosažení vyhovující adheze povlaku je depozice adhezních vrstev. Povětšinou je využíváno různě modifikovaných TiN či CrN vrstev.
O struktuře výkonových vrstev jsme se již zmínili výše. Vývoj přinesl v této oblasti třeba i takové lahůdky, jako jsou vrstvy o tloušťce až 100 µm (s řízeným vnitřním napětím), povlak s drsností na úrovni magnetronového naprašování (Ra okolo 0,05 µm při 2µm tloušťce povlaku) a vrstvy bez obsahu Ti na bázi AlN nebo AlSiN.
Součástí výkonových vrstev se stávají vrstvy povrchové.V současnosti se již opouští od vzhledového TiN, který je pro výkonové aplikace nahrazován povlaky tmavými. Povětšinou se jedná o povlaky na bázi AlTiN se zvýšeným obsahem Al. V povrchové části se nanášejí např. i vrstvy kluzné.

Parametry PVD povlakovacího cyklu

Typické parametry PVD povlakovacího cyklu využívajícího nízkonapěťový oblouk jsou: průměrná kapacita 3,5 - 5 tis. VBD nebo 150 - 300 ks osových nástrojů o průměru 12 mm, procesní tlaky 0,5 - 3 Pa, teploty 400 - 550 °C, proudy oblouků 50 - 450 A. Délka celého cyklu je pak v průměru 2 - 5 h při celkové tloušťce vrstvy 3 - 5 mm.
Podobně jako jiné technologie, i PVD technologie nízkonapěťového oblouku je předmětem neustálého vývoje a pokroku. Mezi nejzajímavější dlouhodoběji řešené praktické problémy se řadí příprava nových, tepelně, chemicky a mechanicky stabilních systémů, zvýšení intenzity plazmatu, stabilita a reprodukovatelnost řízení oblouků a procesů, vliv geometrie naložení vsázky na rovnoměrnost vrstev apod. Vývoj povrchových technologií je poměrně složitou a nákladnou záležitostí. Firma SHM se v této oblasti nespoléhá pouze na vlastní možnosti, ale v rámci tuzemských i mezinárodních projektů úzce spolupracuje s celou řadou specializovaných pracovišť. Jako jediné, v rámci naší republiky, se jí daří vyvíjet vlastní obloukovou technologii a celosvětově nabízet komerční PVD povlakovací zařízení. Firma rovněž nabízí komplexní služby, spojené s povlakováním nástrojů.
Ing. Ondřej Zindulka
Reklama
Vydání #10
Kód článku: 41051
Datum: 13. 10. 2004
Rubrika: Trendy / Povrchové úpravy
Autor:
Firmy
Související články
Ako zvýšiť kvalitu povrchových úprav

Dokonale čistý a odmastený povrch dielov je základnou črtou pre všetky povrchové úpravy, ktorý má veľký vplyv na výslednú kvalitu produktu. Predovšetkým rôzne spôsoby nanášania kovov si vyžadujú starostlivú prípravu povrchu, aby sa zabránilo vzniku škvŕn, ktoré vznikajú v dôsledku povrchovej kontaminácie počas tvárnenia kovov.

Předúprava oceli nízkoteplotním plazmatem pro zvýšení pevnosti lepeného spoje

V příspěvku jsou shrnuty výsledky výzkumu vlivu plazmochemické předúpravy vzorků oceli DC01 na výslednou pevnost lepeného spoje. Pro předúpravu povrchu vzorků oceli byla použita RF štěrbinová tryska generující plazma. Jako pracovní plyn byl použit argon a argon v kombinacích s dusíkem nebo kyslíkem. Vliv plazmové předúpravy na povrch oceli byl vyhodnocen pomocí měření kontaktních úhlů a výpočtu volné povrchové energie. Po slepení vzorků oceli pomocí běžně užívaného lepidla Weicon Flex 310M HT200 byly testovány výsledné vlastnosti lepeného spoje pomocí standardních mechanických odtrhových testů podle ČSN EN 1465.

Zvýšení výkonu u tribo stříkání

Stříkání práškových barev systémem tribo je založeno na fyzikálních principech, které do značné míry určují výsledné parametry stříkacího zařízení. Výrobce stříkacích pistolí je postaven před úkol navrhnout optimální konstrukci, která bude poskytovat nejlepší možný výstup, jakým je dostatečně nabitý prášek, který vystupuje v požadovaném množství a s použitelnou rychlostí z ústí nabíjecí trubice. Jak název napovídá, nabíjení prášku tribo je založeno na principu tření.

Související články
Kompozitní povlaky jako možná náhrada za povlaky na bázi CrIV

Tento příspěvek se týká oblasti povrchových úprav, zejména elektrolyticky vyloučených kovových povlaků, a to způsobu vytvoření kompozitní povrchové úpravy na bázi niklu s vysokou odolností proti opotřebení. Výsledkem provedeného výzkumu je technologický postup závěsového pokovení pro nový kompozitní povlak NiP-XLS, který by mohl nahradit povlaky na bázi CrIV.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vakuové odpařování - technologie budoucnosti

Vakuové odpařování je v České republice poměrně málo používaná technologie. Má však velký potenciál pro budoucí rozšíření. Tato technologie nachází využití v povrchových úpravách, chemickém, strojírenském, potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Firma Kovofiniš je jednou z prvních českých firem, která nabízí vlastní vakuové odparky.

Stříkání a lakování - trendy jsou nepochybné

Nutnost zvyšovat technicko-ekonomickou úroveň firmy je na denním pořádku. Inovace zvyšují podnikovou konkurenceschopnost, kterou lze spatřovat zejména ve flexibilitě, tvorbě přidané hodnoty, efektivnosti a kvalitě. Také v oboru povrchových úprav je trendem automatizace a robotizace.

Komplexní způsob kontroly procesu odmaštění

Článek pojednává o možnostech komplexní kontroly procesu odmaštění v průmyslových aplikacích, tj. především o možnostech kontroly stavu povrchu výrobků před procesem odmaštění a po něm a o kontrole stavu odmašťovacích kapalin pomocí UV-VIS spektroskopie.

Šetrné a účinné čištění těžko dostupných míst

Klasické postupy čištění ve vodě se dostávají na hranice svých možností, když jde například o kapilární struktury nebo komplexní geometrie. Za takové situace se nově na scénu dostávají tzv. CNP technologie (Cyclic Nucleation Process). Tato technologie pracuje na principu cyklické nukleace (tvorby krystalových zárodků z přesycených roztoků).

Vývoj epoxidových barev na konstrukce

Trendem dnešní doby je snižování nákladů na nátěrové systémy na konstrukce. Tyto systémy jsou ve většině případů složeny ze základní nátěrové hmoty (NH) epoxidového typu a vrchního polyuretanového emailu. V rámci úspory nákladů byla vyvinuta NH, která plní funkci obou těchto nátěrových hmot, to znamená, že má antikorozní vlastnosti, splňuje funkci vrchní NH a je možné ji aplikovat pouze v jedné vrstvě.

Lehké konstrukce automobilů - Specifické povlaky hlubokotažných ocelí

Na konstrukční materiály používané při stavbě automobilové karoserie jsou kladeny mimořádné požadavky. Specifické podmínky musejí splnit zejména vnější povrchové díly karoserie, které jsou nositeli designu vozu a které tím i do značné míry rozhodují o prodejnosti a úspěšnosti daného modelu. Kromě základních mechanických podmínek musejí povrchové díly splnit perfektní lakovatelnost, mimořádnou korozní odolnost, ale také musejí mít schopnost bezproblémového zpracování – ať už lisováním, nebo rozmanitými technologiemi spojování, jako je laserové pájení a lepení.

Otěruvzdornost povlaků žárového zinku s přídavkem cínu

Žárové zinkování ponorem představuje jeden z nejrozšířenějších způsobů ochrany ocelových materiálů kovovými povlaky. Životnost takto zhotovených povlaků je v běžném prostředí více než 50 let, a proto nevyžadují údržbu. Vlastnosti zinkového povlaku lze navíc podle použití částečně ovlivňovat přídavkem některých prvků do oceli nebo zinkové lázně. V rámci výzkumu na Ústavu strojírenské technologie ČVUT v Praze bylo cílem zhodnotit odolnost proti otěru zinkového povlaku v závislosti na obsahu cínu v zinkové tavenině.

Funkční materiály pomocí depozice atomových vrstev

Depozice atomových vrstev (ALD – Atomic Layer Deposition) je technologie využívající depozice tenkých vrstev na povrch substrátu s přesností v atomovém měřítku, založená na řadě reakcí výchozí látky v plynném stavu s povrchem substrátu. Většina ALD reakcí používá dvě chemické látky, které se nazývají prekurzory.

Plazmová předúprava povrchu - povrchová energie versus adheze

V oblasti úprav povrchů materiálů je obecně přijímáno, že povrchová energie je jedno z rozhodujících kritérií pro adhezi nátěrových hmot, barev, lepidel nebo speciálních povlaků. Čím vyšší je povrchová energie, tím lepší by měla být přilnavost. Na základě získaných výsledků z oblasti předúpravy povrchu plazmatem nebo ionizací však nebyla prokázána přímá korelace mezi volnou povrchovou energií materiálů povrchově upravených různými technologiemi a výslednou adhezí nátěrové hmoty nebo lepidla.

Zvýšení odolnosti polymerních nátěrů pomocí nano/mikrogelů

Polymerní nátěrové hmoty aplikované na výrobcích plní různé funkce, nejčastěji estetickou a ochrannou. Moderní typy nátěrových hmot by měly tyto funkce kombinovat a rovněž i vyhovovat stále se zpřísňující chemické legislativě a požadavkům kladeným na ochranu životního prostředí a pracovních potřeb. Přirozeným důsledkem je neustálá potřeba vyvíjet a zavádět nové sofistikované formulace nátěrových hmot, a to jak v oblasti rozpouštědlových, tak i vodouředitelných nátěrových hmot.

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