Nanokompozitní supertvrdé povlaky

MM: Celý svůj život se věnujete depozici tenkých filmů metodami PVD a CVD. Od roku 1995 se mj. věnujete i supertvrdým nanokompozitním materiálům. Tyto povlaky se převážně nanášejí na břitové destičky obráběcích nástrojů. Jaké jsou nejnovější trendy v této oblasti? A kde jinde je možné tyto speciální povlaky aplikovat?

Prof. Vepřek: Ve svém životě jsem se věnoval a věnuji i jiným oborům než depozici tenkých vrstev, ale to nechme stranou. Supertvrdé nanokompozity jsme začali studovat už v roce 1991, když mi můj přítel prof. Li Shizhi z Qingdao University of Science and Technology při mé návštěvě v Číně ukázal své výsledky o „... Ti-Si-N Films ...“ s tvrdostí přes 60 GPa (diamant má mezi 70 a 100 GPa, kubický BN zhruba 45–48 GPa). Nejdříve jsme oba té vysoké tvrdosti nevěřili a hledali vysvětlení, kde se mohla stát nějaká chyba. Protože jsem měl v ústavu vhodné vybavení, přišli jsme s mými studenty na to, že jde o nanokopozity sestávající ze 3 až 4 nm malých krystalitů TiN, VN, WN atd., s přibližně jednou monovrstvou Si3N4 na hranicích zrn, která musí být z nějakých důvodů velice pevná. Teprve v pozdějších pracích, které zahrnovaly i teoretické modelovaní pomocí metod „ab-initio“, jsme tomu pořádně porozuměli. Dnes je mechanismus vysoké tvrdosti nanokompozitů vyjasněn a také to, proč mnoho jiných vědeckých týmů to nedokáže zopakovat. V posledním případě se jedná hlavně o nečistoty, protože obsah kyslíku ≥ 0,3 at. % v nanokompozitním povlaku dosažení opravdu vysoké tvrdosti zcela zabrání (čtenáře, kterého zajímají podrobnosti, odkazuji na můj poslední přehledný článek v J. Vac. Sci. Technol. A 31 (2013) 050822).

Zmíněné břitové destičky byly, přesně řečeno, první nástroje, které společnost SHM nanokompozity povlakovala a dodala na trh již v roce 1995. Dnes se nanokompozity o složení Ti1-xAlxN/Si3N4, Cr1-xAlxN/Si3N4 apod. používají také na mnoha jiných nástrojích pro vrtaní, frézování, formování, tváření, stříhání různých kovů a také vstřikování a tlakové lití hliníkových slitin i v řadě dalších operací. Protože nanokompozity mají větší chemickou odolnost než běžné odpovídající nitridy přechodových kovů, používají se také jako ochranné protikorozní vrstvy.

Nanokompozity se většinou používají společně s vrstvami běžných nitridů jako multivrstvy, kde měkčí vrstva nitridu je nanesena na povrch nástroje, aby ho chránila před příliš velkým lokálním zatížením při obrábění, a supertvrdý nanokompozit se nanáší na tento nitrid jako vrchní vrstva (dnes často používaný název „TripleCoatings“). Těch je mnoho variant; například SHM používá v některých případech multivrstvy TiAlN-TiN jako základní vrstvu pod nanokompozitem.
Závažný problém spočívá v tom, že nanokompozity připravované jinými firmami mají vysoký obsah kyslíkových nečistot v oblasti až několika atomových procent, které omezují tvrdost na 30–33 GPa a způsobují, že nanokompzity jsou křehké. SHM je jediná firma, která současně dokáže kyslíkové nečistoty v nanokompozitech omezit na 0,1 %. Momentálně spolupracujeme na snížení nečistot o další faktor 3 až 4, čímž bychom se dostali k téměř ideálním hodnotám tvrdosti > 60 GPa (v laboratoři jsme dosáhli přes 100 GPa) a vysoké houževnatosti.

MM: Snažíme se našim čtenářům přiblížit rozdíly mezi PVD a CVD povlaky a povlaky nanášenými jinými metodami. Jaké jsou podle vás výhody a nevýhody technologií PVD a CVD i třeba z ekonomického a ekologického hlediska? Jsou PVD a PVC technologie nákladnější? Lze supertvrdé povlaky recyklovat?

Prof. Vepřek: Ochranné vrstvy na nástroje se nanášejí jenom pomocí PVD a CVD, takže srovnání s jinými metodami povlakovaní by nedávalo smysl. V porovnání s běžnými povlaky nitridu kovu jsou náklady na přípravu nanokompozitů srovnatelné, což je výhodné, protože například povlaky z polykrystalického diamantu připravované pomocí CVD jsou podstatně dražší.

Z ekologického hlediska mají nanokompozity také výhodu, protože třeba obrábění se může provádět s podstatně nižší spotřebou chladicí emulze nebo i bez ní. Recyklování a likvidace řezných kapalin je z ekologického hlediska velice problematická a drahá.

Recyklování těch jenom několika mikrometrů tenkých vrstev by nedávalo ekonomicky ani ekologicky žádný smysl. Ale v porovnání s povlaky z polykrystalického diamantu mají tu výhodu, že se po opotřebení dají poměrně jednoduše z nástrojů odleptat a poté lze tyto nástroje nabrousit a opět napovlakovat, až několikrát. To je velice výhodné u drahých nástrojů, jako jsou odvalovací frézy nebo vrtáky a frézy z tvrdokovu. Máme příklady, kdy se životnost drahého nástroje s povlaky z nanokompozitu v porovnání s konvenčními povlaky zvýšila 25krát.

MM: Když se ohlédnete třeba deset let zpět, jak rychle se vývoj v technologiích povlakování a nových materiálů ubíral dopředu? Jakým směrem se podle vás bude nadále ubírat? Lze vyrobit ještě tvrdší než supertvrdý povlak? Je to vůbec potřeba?

Prof. Vepřek: Jak jsem už zmínil, ten problém, se kterým všechny ostatní firmy (ale i akademická obec) bojují, jsou nečistoty, což se v posledních 10 letech nijak nezlepšilo. Jenom SHM udělala pokrok a dosahuje v jejich průmyslových zařízeních čistotu okolo 0,1 at. % kyslíku při depozici za potřebných poměrně vysokých teplot. Pokud se nám podaří kyslíkové nečistoty snížit na 200–300 ppm, tak tyto vrstvy nebudou mít v oboru jejich aplikací konkurenci.

Samozřejmě, čím vyšší tvrdost a s ní odolnost vůči elastické deformaci (nechci použít pojmu „houževnatost“, je to trochu složitá záležitost, kde teď nemůžu jít do detailu) a také oxidaci, tím lépe. Pokud se nám podaří snížit nečistoty o faktor 3 až 4, je otázkou, zda bude mít smysl další vylepšování, protože asi narazíme na hranici ekonomickou: dostat se v průmyslovém zařízení na čistotu pod 100 ppm zřejmě bude velice drahé. Ale pokud se nám podaří snížit kyslíkové nečistoty na 200–300 ppm, tak by se snížila i teplota potřebná pro vytvoření plně segregované a stabilní nanostruktury na méně než 500 °C, což by umožnilo povlakovat kvalitními nanokompozity také nástroje z rychlořezné oceli (HSS), které nesnesou teploty nad 530 °C.

Dále jde o vývoj supertvrdých nanokompozitů jiného složení než Ti₁-xAlxN/Si3N4 a Cr1-xAlxN/Si3N4. Protože systémy Tm-Si-N musejí splňovat určitá kritéria, aby se mohly připravit coby supertvrdé nanokompozity, pracujeme s Dr. V. Ivashchenko (Akademie věd Ukrajiny, Kyjev) na teoretických „ab-initio“ kvantových, molekulárně dynamických výpočtech, abychom vhodné „kandidáty“ určili.

Další příklad, který bych chtěl zmínit, jsou tvrdé, ale velice houževnaté nanokompozity, jako (TiCr)N/Ni, se kterými coby tlustými povlaky na ocelových nástrojích SHM dosáhla podstatného zvýšení životnosti nástrojů pro tváření ocelí a zvýšení produktivity tak asi o 100 %.

Nejde jenom o nové a lepší nanokompozity, ale také o vývoj nových a vyspělých povlakovacích technologií. S vlastními rotujícími katodami pro vakuový oblouk udělala SHM před 14 či 15 lety opravdový přelom v této technologii v celosvětovém rámci. I po úspěšném zavedení ve vlastní výrobě tuto technologii stále vylepšovala, v posledních letech také ve spolupráci se švýcarskou firmou Platit, která svá povlakovací zařízení typu „Pi“ prodává po celém světě. Za zmínku stojí také nová technologie pro naprašování pomocí magnetronu s centrální cylindrickou rotující katodou, která co se týče rychlosti povlakování a kvality deponovaných vrstev překonává vše, co je v současnosti známo (pro podrobnosti viz M. Jilek et al. Thin Solid Films 556 (2014) 361).

MM: Již léta působíte v zahraničí. Do povědomí české veřejnosti jste se opět dostal při otevření vývojového a výzkumného centra společnosti SHM v roce 2012, které nese vaše jméno. Centrum bylo otevřeno po dlouholeté spolupráci s firmou SHM která, společně se švýcarskou firmou Platit, také vyvinula nová povlakovací zařízení. Jak se na celou spolupráci díváte?

Prof. Vepřek: Naše dlouholetá spolupráce s SHM je založena na osobním přátelství. Když jsme se poznali a já pochopil, že pánové Holubář a Jílek jsou velice inovativní mladí lidé, kteří mají vlastní vizi a jasný koncept, nemohl jsem jednat jinak než jim trochu pomoci, aby se jejich firma SHM stala viditelnou ve světě. Dnes zná SHM každý, kdo má co dělat s průmyslovou produkcí moderních tenkých ochranných vrstev na nástrojích. I já jsem se během naší spolupráce od nich mnoho naučil. Že jejich nové výzkumné a vývojové centrum nese mé jméno, mne velice těší a také zavazuje, a já doufam, že i přes můj trochu pokročilý věk budu moci ještě mnoho let v naší spolupráci pokračovat.

MM: V České republice je podpora výzkumu a vývoje na vysokých školách a podpora spolupráce VŠ s průmyslovými podniky přes grantový systém řekněme nedostačující. Jak hodnotíte na základě svých zkušeností a působení na univerzitách v Curychu a Mnichově spolupráci tamní akademické sféry a průmyslových podniků?

Prof. Vepřek: Já situaci v ČR neznám dosti podrobně a přehledně, abych se k vaší otázce mohl odborně vyjádřit. Ale z toho, co znám, bych spíše řekl, že se to v ČR od situace v jiných zemích příliš neliší. Univerzity nemají jako hlavní úlohu zkoumat pro průmysl, nýbrž vyučovat dobré studenty, a to se dá dělat jenom pomocí kvalitního základního výzkumu, na což průmysl nemá čas. Technické vysoké školy, které vyučují inženýry, musejí pochopitelně pracovat blíže s průmyslem, ale to snad tady celkem funguje.

Já jsem celý život dělal „applications motivated basic research“ (základní výzkum motivovaný možnými aplikacemi, nikoliv „výzkum do šuplíku“). Proto jsem poměrně dost úspěšných spoluprací s průmyslovými firmami měl. Ale to bylo spíše náhodné, když za mnou někdo někdy přišel, protože jsme právě něco v našem základním výzkumu vypracovali, nebo když už jsme předtím měli něco z našeho základního výzkumu, co se dalo rychle použít v praxi. Ale vývoj pro průmysl jsem nikdy nedělal, vždy jsem byl nezávislý.

Také jsem někdy zažil zklamání, když například jedna švýcarská firma naše výborné výsledky zpackala kvůli nekompetenci manažerů; v tom případě jsem tu spolupráci ukončil já, ačkoliv oni měli zájem o pokračování. V rámci naší spolupráce s SHM jsme v mém ústavu dělali hlavně základní výzkum; aplikační byly v podstatě jenom ty analýzy a interpretace výsledků, které jsme pro SHM v rámci společných projektů financových NATO (projekt Science for Peace) nebo EU dělali. A tak funguje naše spolupráce i dnes.

Závěrem bych chtěl říci, že naše spolupráce s SHM je něco dosti neobvyklého. Je založena na přátelství a vzájemném ocenění té „druhé strany“, v žádném případě nešlo o „výzkum a vývoj pro průmysl“ – ono to vše tak hezky klapalo, protože se spolupráce rozvíjela mezi přáteli.

Děkujeme za rozhovor a přejeme vám mnoho dalších úspěchů.

Eva Buzková

eva.buzkova@mmspektrum.com