Témata
Reklama

Moderní PVD povlaky pro řezné aplikace a tváření

Dynamický rozvoj PVD otěruvzdorných vrstev přináší neustále řadu novinek. V populárně odborné literatuře je ovšem málo informací o takových vrstvách, přestože článků o PVD povlacích a jejich aplikacích je dostatek. Snahou tohoto článku je proto přinést základní informace o moderních PVD vrstvách, určených především pro řezné aplikace a tváření.

Díky podmiňujícímu vztahu mezi fyzikálně-chemickými vlastnostmi vrstev a jejich užitnými vlastnostmi lze pro různé skupiny vrstev nalézt typické či optimální oblasti aplikací. Není ale možné zjednodušeně srovnávat vlastnosti a aplikační oblasti, např. vrstev TiN a TiAlN či TiCN. Každá z těchto vrstev může být totiž připravena několika PVD technologiemi založenými na odlišných fyzikálních principech. Navíc i v rámci každé technologie může být mnoho rozdílů v závislosti na konstrukčním řešení povlakovacího zařízení nebo na nastavených parametrech povlakovacích procesů. To vše ovlivňuje celkovou kvalitu vrstev, jako je tvrdost, adheze k substrátu, drsnost, četnost poruch, tepelná odolnost, stechiometrie atd. Díky neustálému pokroku ve vývoji technologií neplatí mnohé zažité předsudky, např. že rozdíl mezi vrstvami připravenými magnetronovým naprašováním a obloukovým odpařováním je ve zhoršené drsnosti povrchu vrstev připravených druhou z metod. Nové obloukové technologie využívající rotačních elektrod snižují výslednou drsnost povlaku pod hranici Ra = 0,1 ?m. To je pro většinu aplikací naprosto dostačující hodnota.
Reklama
Reklama
Reklama

Vrstvy TiAlN

Ze statistiky sledující německý trh vyplývá trend náhrady dožívajících vrstev TiN A TiCN vrstvami na bázi TiAlN. Do sledovaných skupin vrstev jsou zahrnuty jak běžné monovrstevné systémy, typické především pro TiN vrstvy, tak i různě strukturované vrstvy, typické především pro vrstvy na bázi TiAlN a TiCN. Narůstající podíl vrstev na bázi TiAlN je logický a vychází z hodnocení jejich základních vlastností a požadavků průmyslu. Původně vyvinuté a historicky nejstarší vrstvy TiN dosahují tvrdosti HV do 23 GPa a jejich maximální pracovní teplota je 600 oC.

Požadavek na vysokou abrazivní odolnost vedl k vývoji velmi tvrdých vrstev TiCN s tvrdostí HV až 35 GPa, ale bohužel s max. pracovní teplotou jen do 450 oC. Vrstvy TiCN se však mohou pochlubit také velmi příznivým koeficientem frikce, takže i přes sníženou tepelnou odolnost mají svou oblast aplikací, kde se dají obtížně nahradit. Třetí vývojovou skupinou vrstev jsou vrstvy na bázi TiAlN, které dosahují vysoké tvrdosti HV až 33 GPa a mají vysokou maximální pracovní teplotu přesahující někdy 800 oC. Tím splnily tyto vrstvy dva nejdůležitější požadavky průmyslových aplikací na vysokou abrazivní odolnost a chemickou stabilitu při vysokých teplotách. Proto je nárůst jejich aplikací v průmyslu logický.

Některé vrstvy TiAlN jsou dopovány o další prvky, jako je Cr, Y, Hf apod. Tyto přísady v malém množství pozitivně ovlivňují strukturu vrstev, a tím přispívají ke zvýšení jejich užitných vlastností. Motivace dostat se do produktivních řezných aplikací, kde je vysoký vývin tepla, a do aplikací "suchých", které slibují vysoké ekologické a ekonomické přínosy, vede k vývoji těchto systémů, ale s vyšším podílem Al, než je běžný poměr Ti : Al = 50 : 50. Vysoké podíly Al však znamenají většinou snížení tvrdosti. Existují fyzikální limity pro tvorbu tvrdé kubické struktury AlN, a tak jsou systémy s poměrem Ti : Al ? 35 : 65 vhodné pro zúženou oblast aplikací a stávají se méně stabilními.

Strukturované vrstvy

Pokud existuje vážný požadavek průmyslových aplikací na zvýšenou tepelnou a chemickou stabilitu velmi tvrdých vrstev, pak běžné vrstvy na bázi TiAlN či AlTiN nestačí. Proto jsou již několik let připravovány vrstvy na bázi TiAlN i jiné v různých strukturovaných modifikacích, které umožňují zlepšit některé jejich fyzikálně-chemické vlastnosti. Hovoříme pak o multivrstvách, gradientních vrstvách a nanostrukturovaných vrstvách, kam patří i zvláštní skupina nanokompozitních vrstev.

Multivrstvy obecně zvyšují odolnost vrstev proti šíření poruch, a zvyšují tak i výslednou měřenou tvrdost vrstev, užitné vlastnosti v aplikacích a umožňují nanášet vrstvy ve větších tloušťkách než v případě monovrstev.
Gradientní vrstvy, resp. nanogradientní vrstvy, jsou systémy s průběžně proměnným složením vrstvy TiAlN tak, že k povrchu vrstvy se zvyšuje obsah Al, aby zabezpečil vysokou oxidační odolnost při zachování dostatečné tvrdosti vrstvy.

Nanovrstvy představují systém multivrstvy s tloušťkou jednotlivých vrstviček pod hranicí 10 nm. Pokud je rozhraní mezi jednotlivými vrstvičkami s rozdílnými fyzikálními vlastnostmi dostatečně ostré, pak lze najít optimální periodu střídání vrstviček, při které je tvrdost celé vrstvy výrazně zvýšená.

Nanokompozitní vrstvy díky své originální struktuře představují povlaky s velmi vysokou tvrdostí a zároveň velmi vysokou tepelnou stabilitou a odolností vůči oxidaci. Nanokompozitní vrstvy dnes reprezentují novou generaci velmi tvrdých PVD vrstev s typickou charakteristikou jejich struktury.

Typickým představitelem nanokompozitních vrstev na trhu jsou vrstvy nc-(Ti1-xAlx)N/a-Si3N4. Zde představují krystalickou složku krystaly TiAlN a amorfní složku Si3N4. Tvrdosti HV těchto vrstev přesahují hodnotu 40 GPa. S těmito hodnotami tvrdosti se nanokompozity řadí k nejtvrdším PVD vrstvám v komerční nabídce.

Vrstvy na bázi CrAlN

Alternativou k vrstvám TiAlN jsou nedávno publikované vrstvy na bázi CrAlN bez přítomnosti Ti. Odborné publikace o těchto typech vrstev se objevují již od roku 1990. V roce 1994 byly připraveny vrstvy Cr-Al-N technologií odpařování pomocí oblouku. Poslední tři roky již byly publikovány testy reálných vrstev se zaměřením na jejich elektrické vlastnosti a oxidační odolnost. Očekávanou výhodou vrstev na bázi CrAlN je jejich vysoká chemická stabilita při vysokých teplotách a zvýšená adheze k substrátu. Maximální poměr obou metalických složek při zachování kubické struktury je Cr : Al ? 30 : 70. To je značná výhoda proti systému TiAlN. Další zvyšování podílu Al vede k vytváření nových fází AlN, které zhoršují fyzikálně-chemické vlastnosti vrstev. Přitom vysoký podíl Al má příznivý vliv na oxidační odolnost vrstev - vytváří oxidickou ochrannou vrstvu Al-Cr-O, která brání další difúzi kyslíku do vrstvy. Proto lze i u vrstev Cr-Al-N hovořit o limitech jejich složení a možnosti jít do vyšších hodnot oxidační odolnosti. Maximální teploty, kdy dochází k masivní oxidaci vrstev CrAlN, se podle faktických měření pohybují kolem 700 až 800 oC. Díky vytvářené oxidační ochranné bariéře Al-Cr-O se však maximální pracovní teploty vrstev CrAlN mohou pohybovat výše.

Jedna z cest, jak se dostat se systémy CrAlN do vyšších oxidačních odolností, je opět příprava multivrstevných systémů, případně nanokompozitních vrstev. Na letošní konferenci ICMCTF v San Diegu a později na konferenci E-MRS ve Strasburgu publikovala firma SHM společně se švýcarskou firmou Platit zcela nové provedení vrstev CrAlSiN nebo CrAlN s velmi nízkým obsahem Cr do 6 %. Byly nalezeny dvě oblasti složení vrstev s maximem tvrdosti, které zobrazuje tzv. camel diagram. Varianta vrstvy Cr-Al-Si-N s nízkým obsahem Cr kolem 6 % přitom dosahuje velmi vysoké hodnoty tepelné odolnosti. Tím se nabízí cesta k dosažení takového složení vrstvy, kdy i při vysokých pracovních teplotách nebude docházet k oxidaci vrstvy. Multivrstevné varianty pak umožňují i zlepšení adheze k substrátu a snížení vnitřního napětí ve vrstvách. To znamená, že PVD vrstvy Cr-Al-N, resp. Cr-Al-Si-N lze připravit ve velkých tloušťkách až do 10 ?m, což je pro běžné PVD vrstvy nemyslitelné. Tvrdosti nových vrstev Cr-Al-Si-N dosahují nadstandardních hodnot HV přes 35 GPa, tedy na úrovni vrstev TiAlN. Proto lze předpokládat, že budou vhodně doplňovat vrstvy na bázi TiAlN v některých aplikacích s vysokými nároky na tepelnou stabilitu a chemickou odolnost. O těchto vrstvách je možné hovořit jako o vrstvách budoucnosti.

Kluzné vrstvy

Kluzné vrstvy mají nižší tvrdost než běžné otěruvzdorné vrstvy. Jejich hlavním úkolem je vytváření kluzného povrchu. Do této skupiny patří "měkké" vrstvy, které se aplikují jen v kombinaci s tvrdými vrstvami na bázi TiN, TiAlN či TiCN a vrstvy DLC (diamond like carbon = diamantu podobný uhlík), které vhodně kombinují vynikající kluzné vlastnosti s dobrou tvrdostí. Různých variant uhlíkových vrstev je na trhu více. Mají společný nízký koeficient frikce a sníženou tepelnou odolnost a tvrdost HV okolo 20 GPa. V řezných aplikacích mohou vhodně doplňovat tvrdou podkladovou vrstvu. Nejrozšířenější typy s výrazně nižší tvrdostí jsou MoS2 a WC/C.
Snahou vývoje je vytvořit vhodnou kombinací tvrdé a měkké složky optimální abrazivně odolnou vrstvu s velmi nízkým koeficientem frikce. I v tomto případě se jeví nanokompozitní struktury jako velmi slibné a publikované výsledky laboratorních pokusů slibují brzký nástup těchto systémů.

Univerzální vrstva?

Z předchozího přehledu moderních vrstev je zřejmé, že kvalitní výrobci PVD povlaků jsou schopni připravit vrstvu pro jakékoliv aplikace. V případě povlakovaných nástrojů však kromě vhodné vrstvy hrají důležitou roli také geometrie nástroje, materiál substrátu a konečně parametry operace, např. řezné podmínky u obrábění. Pokud vzniká požadavek na optimalizaci procesů v sériové výrobě, je možné pomocí PVD vrstev dosáhnout podstatného zvýšení produktivity, kvality či ekonomiky. Přesto existuje velmi početná skupina uživatelů, kteří nevyužívají sériovou výrobu a jejichž nástroje musí pracovat ve velmi rozdílných podmínkách. Pro tyto uživatele je důležitější nabídka univerzální vrstvy, ale existuje vůbec taková vrstva? Do určité míry lze za takovou univerzální vrstvu považovat povlaky z oblasti nanokompozitních vrstev Ti-Al-Si-N, resp. některých vrstev Ti-Al-N, které pokrývají širokou oblast řezných aplikací s nadprůměrnými přínosy pro produktivitu, ekonomiku a kvalitu obrábění.
Pavel Holubář
Mojmír Jílek
Milan Růžička
Reklama
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.

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.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
PVD povlak CrNx – když tloušťka není na závadu

Společnost SHM dokončila vývoj a testování PVD povlaku založeného na nestechiometrickém CrN s neobvyklou tloušťkou nad 20 µm, výbornou drsností a rychlostí růstu. Povlak je připraven vlastní patentovanou technologií, která kombinuje magnetronové naprašování a obloukové napařování. Je určen nejenom pro tvářecí nástroje, ale směřuje i do oblasti komponentů

Nanokompozitní supertvrdé povlaky

Supertvrdé povlaky jsou dnes běžně používané na celou řadu aplikací. Nejvíce se však aplikují na řezné obráběcí nástroje a vyměnitelné břitové destičky, a to z důvodu zvýšení jejich životnosti při obrábění i velmi tvrdých materiálů. Prof. Dr. Stanislav Vepřek, rodák z Písku, se již od roku 1963 velmi významně podílel na vývoji depozice tenkých filmů pomocí CVD technologie (Chemical Vapour Deposition). V roce 1995 byl u zrodu principu koncepce supertvrdých nanokompozitních materiálů na Technické univerzitě v Mnichově. Publikoval 398 odborných prací, obdržel mnoho významných ocenění a dodnes přednáší na univerzitách v mnoha zemích po celém světě. V oborech materiálů a povrchů je tedy světovou špičkou a MM Průmyslové spektrum vám s ním přináší rozhovor.

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.

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.

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.

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 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.

Perfektní povrchová úprava

Ten, kdo vytváří povlaky, může dosáhnout bezvadných výsledků pouze důkladnou předpřípravou povlakovaného povrchu. Také za tímto účelem investovala firma Bot Oberflächentechnik z Kulmbachu do nového zařízení – a dosáhla tak nakonec fascinujících výsledků.

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