Témata
Reklama

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.

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).

Reklama
Reklama
Prof. Dr. Stanislav Vepřek. Jeho oborem je věda o materiálech a površích, povlaky ve formě tenkých supertvrdých filmů, odolných vůči opotřebení, světlo-emitující křemík, mikrokrystalický křemík a od roku 1995 také supertvrdé nanokompozitní materiály.

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.

Čtyřbřité monolitní frézy s povlaky na bázi AlTiN, TiCN, CrAlSiN a TialSin (zleva doprava)

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

Reklama
Související články
Vliv míchání na elektrickou vodivost povlaků

Antistatické nátěrové hmoty slouží k vytvoření elektricky vodivých povlaků, jež jsou svými vlastnostmi vhodné pro prostředí, ve kterých je nutné zamezit tvorbě a negativním důsledkům elektrostatického náboje (statické vybíjení, kumulace prachových částic a další negativní jevy).Svá uplatnění nacházejí v petrochemickém průmyslu, přesné optice, elektrotechnice a v celé řadě dalších odvětví. V rámci výzkumu na Ústavu strojírenské technologie ČVUT v Praze byl sledován vliv metody dispergace plniva a parametrů procesu míchání antistatických nátěrových hmot na finální technologické a funkční vlastnosti povlaku.

Nátěry pro hezčí vzhled i lepší funkčnost

Nátěrové hmoty se běžně používají k dosažení dekoračních, ochranných a dalších funkčních účinků na určitém povrchu. Své o tom ví i společnost Synpo, která se již od padesátých let minulého století zabývá výzkumem a vývojem syntetických pryskyřic a laků. Jejich nátěrové hmoty používají např. výrobci dopravních prostředků, zemědělských strojů a jiných strojních zařízení.

Přesné měření tloušťky povlaků

Pro optimalizaci vlastností povrchových povlaků a filmů ve výzkumu, vývoji i průmyslové výrobě je důležitá přesná kontrola jejich tloušťky a rovnoměrnosti rozložení. Metrologická metoda CCI představuje mimořádnou přesnost měření pro široký rozsah tlouštěk povlaků.

Související články
Vývoj a výzkum nátěrových hmot pro letecký průmysl

Letecký průmysl vždy patřil a stále patří k tradičním průmyslovým odvětvím v České republice. Výrobky tuzemských firem a podniků „létají“ prakticky po celém světě a svými užitnými vlastnosti dlouhodobě konkurují i jiným renomovaným světovým výrobcům. Nedílnou součástí zajištění požadovaných vlastností leteckých výrobků jsou i povrchové úpravy a ochrany, které jim poskytují přidané ochranné či funkční vlastnosti a umožňují provozovat je po celou dobu jejich technického života.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Ekonomická řešení čištění - základní faktor úspěchu

Kvalitní čištění dílů je v průmyslu stále důležitější. Většina firem klade hlavní důraz na výrobu. Samozřejmě nelze přehlížet vazby mezi výrobním procesem a čištěním. Výrobce čisticích zařízení Pero AG proto svým zákazníkům nabízí vedle moderních technologií i komplexní poradenství pro ekonomiku a efektivitu čisticích procesů. Přesvědčit se o tom, a získat informace o aktuálních inovacích, mohli návštěvníci zákaznických dnů Pero 2018.

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.

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.

Využití povlaků pro zvýšení životnosti hoblovacích nožů

Nanostrukturované povlaky použité jako povrchová úprava hoblovacích nožů pro obrábění dřeva z rychlořezné oceli přinesly výrazné zvýšení životnosti nástroje a tím i zvýšení kvality povrchu obráběného dřeva.

Tryskání až 250 tun těžkých odlitků

Pokud jde o výrobu nesmírně velkých, těžkých a složitých odlitků, je jejich původcem slévárna PJSC Energomashspetsstal. S procesem odlití je spojena rozsáhlá kontrola kvality. Aby byl získán povrch o požadované kvalitě, jsou až 12 metrů dlouhé, 7 metrů široké, 5 metrů vysoké a až 250 tun těžké díly tryskány. Zařízení, které je vůbec celosvětově největším tryskacím zařízením, koncipovala společnost Rösler, která se přitom zcela přizpůsobila stávající prostorové situaci.

Vyšší výkon při nižších nákladech

Energetická účinnost výrobních strojů a zařízení se dostává stále více do centra pozornosti. To je určitě důvod, proč je stále více tryskacích zařízení vybavováno turbínami Rösler Long Life Rutten - umožňují totiž energetické úspory až 25 %.

Koroze a ochrana proti korozi zásobníků na kapalná paliva

Známe-li příčiny koroze zásobníků na kapalná paliva (viz 1. část článku v minulém čísle), pak můžeme aplikovat ochranu proti korozi. Způsoby ochrany proti korozi lze rozdělit na následující technologické postupy: aplikace povlaků (organických a kovových), použití inhibitorů koroze a katodické ochrany. Každý z těchto postupu je jedinečný a unikátní.

Kompozitní galvanické povlaky

Stále se zvyšující požadavky na vlastnosti povrchů urychlily vývoj slitinových povlaků kombinovaných s povlaky kompozitními, čímž se vzájemně kombinují a rozšiřují výhody a možnosti nových povlaků.

Použití DLC povlaků (nejen) v automobilovém průmyslu

Povlakování v České republice zažívá v posledních letech velmi plodné období. Těchto služeb masivně využívají zejména firmy z všeobecného strojírenství a automobilového průmyslu. Stále více nachází uplatnění také u firem působících v leteckém, potravinářském, energetickém a elektrotechnickém průmyslu.

Analýza tloušťky pokovení ručním spektrometrem

Příspěvek pojednává o možnostech ručního spektrometru Delta pracujícího na principu ED-XRF (energiově disperzní rentgenové fluorescenci) a jeho možnostech analýzy tloušťky galvanických vrstev.

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