Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Nová průmyslová technologie povlakování
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

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.

    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.

    Další články

    Technologie pro povrchové úpravy

    Komentáře

    Nebyly nalezeny žádné příspěvky

    Sledujte nás na sociálních sítích: