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
    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
    Související články
    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.

    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.

    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.

    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.

    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.

    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.

    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.

    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.

    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“.

    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.

    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).

    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