Témata
Reklama

Nová průmyslová technologie povlakování

Není pochyb o tom, že PVD vrstvy na bázi (Ti, Al)N mají v posledních letech dominantní postavení na trhu s řeznými nástroji určenými pro vysoce výkonné obrábění. Současný vývojový trend v oblasti AlTiN vrstev a nanovrstev bude doplňován nebo i nahrazen vývojem a použitím nanokompozitních vrstev. V tomto článku je představena nová povlakovací technologie, nazvaná LARC (Lateral Rotating ARC-Cathodes, v překladu boční rotující oblouková katoda), a především zařízení umožňující provoz této technologie. Díky němu je totiž možné připravovat nanokompozitní a nanostrukturované vrstvy i v malých a středních firmách z oblasti výroby nebo užití nástrojů pro produktivní obrábění

V závislosti na tom, které statistice věříte, je podíl PVD vrstev na bázi (Ti, Al)N na trhu s povlakovanými nástroji pro vysoce produktivní obrábění mezi 25 % až 55 %. Důvodů pro tak vysoký podíl je mnoho:
  • velmi vysoká tvrdost kolem 25 až 38 GPa při relativně nízkém zbytkovém napětí vrstev mezi -3 až -5 GPa;
  • vysoká odolnost vůči teplotě - ztráta tvrdosti pouze 30 až 40 % při teplotách kolem 800 °C;
  • vysoká odolnost proti oxidaci při vysokých teplotách - pracovní teploty jsou až 850 oC proti 400 °C u TiCN, resp. 550 °C u TiN vrstev;
  • nízká tepelná vodivost - ve srovnání s konvenčními TiN vrstvami až o 30 % nižší.
  • Vývoj vrstev na bázi (Ti, Al)N však neustrnul na úrovni jednoduchých systémů. Existuje rozsáhlá řada velmi moderních řešení kombinujících různé poměry Ti : Al, využívajících výhod multivrstevného uspořádání a zaměřených na využití výhod různých technologií přípravy PVD vrstev včetně doplňkových prvků ve struktuře:
  • kombinace obloukového napařování a magnetronového naprašování;
  • filtrace makročástic u obloukových technologií;
  • optimalizace povlakovacích parametrů, které ovlivňují výsledné vlastnosti vrstvy i při stejném složení;
  • optimalizace krystalické struktury vrstev, která má zásadní vliv na korozivní vlastnosti a odolnost vůči oxidaci;
  • přidání některých prvků do struktury vrstev pro zlepšení oxidačních vlastností, zjemnění struktury, zlepšení adheze atd. - Cr, Y, Zr, V, Hf, B, Si atd.
  • V současné době je nejpopulárnější rozvoj (Ti, Al)N systémů s vysokým obsahem Al pro zlepšení odolnosti vůči oxidaci za vysokých teplot a tzv. nanovrstev s vysokou houževnatostí.
    Reklama
    Reklama

    Nanovrstvy a AlTiN vrstvy

    Idea vytváření nanovrstev, tedy vrstev tvořených soustavou velmi tenkých vrstev s tloušťkami odpovídajícími atomárním mřížkám, je obecně motivována vlastnostmi multivrstev. Pokud se dodrží podmínka přesné a konkrétní tloušťky jednotlivých vrstviček, ovlivní se krystalografická struktura vrstev a dosáhne se výrazně zvýšené tvrdosti vrstvy. Potom lze připravit i vrstvy (Al, Ti)N s vysokým obsahem Al s kubickou mřížkou, přestože za normálních podmínek by např. při obsahu Al asi 70 % byla struktura hexagonální. Přitom pouze kubická struktura (Al, Ti)N představuje tvrdou, a tedy otěruvzdornou vrstvu.
    Dosažení takových nanovrstev je možné jen při synchronizaci procesu nanášení tvrdých vrstev a rotace povlakovaných nástrojů. Většina současných povlakovacích zařízení ovšem ani v tomto případě neumožňuje připravit nanovrstvy na nástroje s různými rozměry a tvarem. Navíc uspořádání elektrod, ze kterých se odpařují, resp. odprašují základní prvky tvořící vrstvu, neumožňuje změnu složení vrstev během jednoho procesu, což opět omezuje využití výhodných vlastností nanovrstev s gradientním složením.
    Vedoucí výrobci povlakovacích zařízení se snaží zvýšit obsah hliníku ve vrstvách (Ti, Al)N kvůli zvýšení odolnosti vůči oxidaci. Přitom jsou limitováni maximálním obsahem 70 % Al, protože větší podíl způsobuje hexagonální strukturu, pro obrábění nevhodnou.
    Z obou zmíněných faktů plyne, že běžná povlakovací zařízení jsou pro přípravu vrstev s vysokou tvrdostí a oxidační odolností limitována. Jednak pro praktické výrobní účely neumožňují přípravu nanovrstev pro rozdílné geometrie nástrojů. Za druhé je fyzikálně limitován obsah hliníku a tato fyzikální bariéra může být překonána pouze novým řešením - a tím jsou nanokompozitní vrstvy.

    Nanokompozitní vrstvy

    Nanokrystalický kompozit je materiál tvořený dvěma nebo více složkami, které jsou vzájemně nerozpustné, přitom alespoň jedna složka musí být krystalická. Malá zrnitost má příznivý vliv na tvrdost. Jedná se o termodynamicky stabilní materiály, a to i z hlediska zrnitosti - nedochází k růstu zrn i při teplotách nad 1000 °C. Hranice zrn slouží jako efektivní bariéra proti šíření poruch - tím je dána vysoká tvrdost těchto materiálů. Příkladem jsou vrstvy (Ti, Al, Si)N, které tvoří nanokrystaly (Ti, Al)N s velikostí kolem 5 nm, umístěné v amorfní matrici Si3N4.
    Tvrdost těchto komerčně vyráběných materiálů dosahuje 40 až 50 GPa a její hodnoty jsou zachovány až do teplot 1100 °C. Takové vrstvy je však možné připravit jen za zcela specifických podmínek, které jsou předmětem patentových přihlášek a jsou umožněny díky novému povlakovacímu systému využívajícímu technologii LARC.

    Technologie LARC

    Aby bylo možné připravit nanokompozitní vrstvu kombinací různých materiálů nanášených z více targetů, musí zařízení splňovat tyto základní podmínky:
  • targety odpařovaného materiálu musí být v těsné blízkosti;
  • ionizace plazmatu musí být vysoká.
  • Tento problém optimálně řeší technologie používající rotační elektrody. Jenom u tohoto typu elektrod lze rozumným způsobem pracovat s vysokým magnetickým polem, které zajistí vysokou ionizaci plazmatu a zároveň lze odpařované elektrody umístit do těsné blízkosti.
    Protože doposud známé technologie splňovaly tyto podmínky vždy jen částečně, bylo nutné vyvinout zcela nové povlakovací zařízení. Tento vývoj proběhl ve spolupráci švýcarské firmy Platit AG a české firmy SHM, s. r. o., v několika posledních letech. Výsledkem je nová technologie LARC uplatněná na zařízení (80, nabízeném na světovém trhu firmou Platit od konce roku 2002.
    Jako zdroj odpařovaného materiálu slouží dvě rotační elektrody umístěné těsně vedle sebe - při použití planárních elektrod by odpovídající odpařovací systém zabíral zhruba třikrát více místa a nedocházelo by k promíchání obou složek vrstvy. Magnetické pole je vytvářeno kombinací permanentního magnetu a elektromagnetické cívky. Materiál je díky rotaci elektrod rovnoměrně odpařován z celého povrchu. Díky tomu lze odpařovat materiál v silném magnetickém poli, což zajistí vysokou ionizaci plazmatu a nízký počet makročástic - planární elektrody mají v silném magnetickém poli nesrovnatelně nižší životnost. Konstrukce elektrod umožňuje navíc originální způsob čištění elektrod před vlastním procesem pomocí tzv. virtuální uzávěrky (virtual shutter).

    Přínosy technologie

    Nejvýznamnější výhody, které technologie LARC přináší, jsou odvozeny od rotujících katod a jejich vzájemně blízké pozice a lze je stručně shrnout takto:
    Optimální adheze s použitím virtuální závěrky je umožněna díky otočnému magnetickému poli bez citlivých mechanických částí, rychlému čištění targetů mimo povlakované substráty a čisté depozici materiálu targetu na substrát od samého počátku procesu.
    Jemný povrch povlaku s minimalizovaným obsahem makročástic je dosažen díky rychlému pohybu katodové skvrny, umožněnému vysokým magnetickým polem a rotací elektrod a také rovnoměrné erozi odpařovaných targetů.
    Příprava nanokompozitních vrstev je možná díky vysoké ionizaci plazmatu s vysokou intenzitou magnetického pole a vytvoření dvou fází, např. nc- (TiAl)N/a-Si3N4 nebo nc- TiN/a-Si3N4.
    Programovatelná stechiometrie povlaků zase umožňuje gradientní vrstvy s proměnným složením, a tím kombinaci různých typů vrstev - navíc to celé bez výměny targetů během procesu a s použitím levných typů targetů, např. Ti, Al, AlSi atd.
    Díky optimálnímu využití prostoru s válcovými, rotačními katodami umístěnými na straně povlakovací komory lze získat multi- nebo nanovrstevné struktury v jednom zařízení a procesu.
    Zásluhou válcového tvaru je dosaženo maximální efektivní šířky targetu - d x (.

    Velikost povlakovacího zařízení

    Zařízení Larc bylo navrženo jako velmi kompaktní, vymykající se velikostem používaným velkými výrobci nástrojů. Shrňme některé důvody, které k tomu autory (80 vedly:
    Povlakování by nemělo být privilegiem pouze velkých povlakovacích center a velkých výrobců nástrojů. Malé a střední podniky by měly mít možnost připravovat moderní vrstvy vlastními silami pro své nástroje.
    Nové vrstvy neodsunou stávající (Ti, Al)N apod. vrstvy ihned do pozadí. Trh musí nejprve využít stávající povlakovací kapacity, které ovšem neumožňují přípravu nových nanokompozitních a nanostrukturovaných vrstev. Proto se nové vrstvy budou dostávat na trh pozvolna.
    Menší provedení zařízení umožňuje získat potřebnou zkušenost pro snadnější zvýšení objemu nových verzí povlakovacích zařízení s využitím všech předností nové konstrukce.
    V malých zařízeních není třeba povlakovat za každou cenu nástroje s velmi rozdílnými geometriemi. Ty důvody jsou většinou ekonomické. Rozdělení nástrojů do menších vsázek je u menšího zařízení snadnější a lze tak proces "šít na míru" typu nástrojů ve vsázce.
    Více menších zařízení není méně produktivním řešením než jedno velké! Ve skutečnosti jsou mnohem pružnější a nabízejí rozmanitější služby.
    Zbývá ještě podotknout, že tento segment zařízení je na trhu opomíjen také proto, že zisk z výroby menších zařízení je menší než z výroby větších. To je dlouhodobá zkušenost a odráží se v nabídce většiny výrobců.

    Rozvojový potenciál LARC

    Při uvádění zařízení, technologie či produktu na trh je zvykem, že nový produkt vykazuje vyšší výkon při vyšších produktivních parametrech ve srovnání s konkurencí a je případně levnější. Za výsledkem vždy stojí dlouhodobější úsilí. V našem případě nebylo úsilí menší, ale výsledky dosažené během velmi krátké doby vývoje vhodných nanokompozitních vrstev pomocí technologie LARC ukazují na obrovský potenciál těchto nových strukturovaných vrstev. Srovnání, které jsme schopni prezentovat nyní, budou do několika málo měsíců velmi pravděpodobně překonána dalším skokovým navýšením užitných vlastností.
    Reklama
    Vydání #4
    Kód článku: 30430
    Datum: 23. 04. 2003
    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.

    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.

    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.

    Související články
    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.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Finesy antikorozních úprav do extrémních podmínek

    Není asi náročnější zakázky na povrchové antikorozní ochrany než konstrukce pro extrémní klimatické podmínky, jako je střídání abnormálních teplot a slané prostředí. To je totiž ta pravá „ochranářská“ maturita. Mají-li se v těchto podmínkách chránit nadrozměrné konstrukce, není mnoho firem, které si na to troufnou. Před takovým dilematem stáli nepochybně investoři a realizační firmy při stavbě ve své době největší výletní lodě Queen Mary II a těžaři při konstrukci zřejmě nejseverněji umístěné naftové těžební plošiny Goliat v Barentsově moři. Jejich volba firmy realizující protikorozní úpravy padla na vlašimský Metalkov.

    Zvýšení procesní spolehlivosti čištěním

    Společnost BUPI Golser je světovou špičkou ve výrobě zařízení pro průmyslové čištění obrobků a transportních nosičů. Čisticí zařízení BUPI Cleaner jsou známá díky svým vynikajícím výsledkům čištění, kterých dosahují při vysoké hospodárnosti, energetické účinnosti a šetrnosti ke zdrojům. Vyráběna jsou v sídle společnosti BUPI Golser Maschinenbau v Halleinu u Salcburku. O zákazníky z České republiky a Slovenska pečuje od roku 2017 brněnská společnost Imtos.

    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.

    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).

    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 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.

    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.

    Maskování pro povrchové úpravy

    Před mnoha lety, než jsem se začal zabývat povrchovými úpravami a maskováním, jsem netušil, jak komplexní obor to je a co všechno zahrnuje. Problematika je natolik obsáhlá a speciální, že by si zasloužila samostatný studijní obor na univerzitě. Zkusím proto v tomto článku popsat alespoň část svých dosavadních zkušeností a poznatků z mojí univerzity života.

    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.

    Jak zefektivnit proces stříkání práškovými barvami?

    Jak již název článku uvádí, bude se v něm pojednávat o aplikaci práškových barev. Konkrétně se jedná o méně známou a využívanou možnost automatizace a mechanizace stříkání, kterou jsou postřikové stěny.

    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