Témata
Reklama

Nový systém kluzných PVD povlaků

V prosincovém vydání loňského ročníku MM Průmyslového spektra jsme se zmínili o tlusté PVD vrstvě pro tvářecí aplikace. Tento článek je věnován dalšímu produktu vlastního vývoje společnosti SHM - kluzné vrstvě s názvem Lubrik.

Kluzné vrstvy představují důležitou skupinu průmyslových povrchových úprav nástrojů. Jejich technický přínos v obrábění a tváření lze shrnout do několika úzce souvisejících bodů:
  • zlepšení kluzných vlastností;
  • výrazné snížení "přilnavosti" mezi vrstvou a obrobkem;
  • rovnoměrnější zaběhnutí nástroje;
  • snížení řezných sil a jejich plynulejší průběh;
  • omezení tvorby nárůstků, zejména při obrábění neželezných kovů.
  • Dosažení těchto cílů bylo předmětem popisovaného vývoje. Depozice standardních kluzných vrstev je však doprovázena některými technologickými komplikacemi - znečištění komory, kontaminace elektrod, nutnost dodatečných procesů, výměny targetů apod. Proto byl další vývoj zaměřen i na odstranění zmíněných technologických nedostatků.
    Reklama
    Reklama
    Reklama

    Popis a vlastnosti vrstvy

    Téměř všechny firmy zabývající se seriozní přípravou PVD povlaků a jejich vývojové týmy se čas od času více či méně zabývají myšlenkou depozice Al2O3 vrstev v průmyslovém měřítku. Důvodem je výjimečná tepelná a chemická stabilita, doprovázená výbornými mechanickými vlastnostmi.
    Právě dosažené dílčí výsledky v rámci vývoje Al2O3 se staly technickým podnětem pro depozici popisovaných kluzných vrstev. Výsledkem je unikátní systém, který je tvořen převážně oxidy hliníku a titanu s přídavkem izotropně rozděleného uhlíku. Přitom obsah uhlíku je optimalizován právě pro kluzné aplikace.
    Povlak byl vyvinut na povlakovacích zařízeních s válcovými elektrodami. Podrobnosti o technologii a zařízeních jsou k dispozici v MM 10/2004.

    Složení a struktura

    Analýzy složení a struktury se potýkají u povlaků na bázi oxidu a uhlíku s poměrně velkými problémy, které mají za následek vysoký rozptyl měření. Potřeba dosažení co nejpřesnějších výsledků, nutných pro interpretaci nového systému povlaku, si vynutila použití metod náročných na instrumentální a analytické vybavení. Tyto metody nejsou z převážné části v ČR dostupné. Pro analýzu složení byly použity následující metody: EDX (ÚFM AV ČR Brno, TUM Mnichov), WDX (ÚFM AV ČR Brno, TU Freiberg) a ERD (TUM Mnichov). Struktura vrstvy byla vyhodnocována metodami XRD (TUM Mnichov, TU Freiberg), XPS (TUM Mnichov, FÚ AV Praha).
    Ve struktuře vrstvy Lubrik je dominantní fáze Al2O3 s příspěvkem TiC. Z pohledu kluzných vlastností je velmi důležitá přítomnost vazeb C-C, C-O a C=O. Převážná část složek je amorfní, což je vlastnost pro oxidy typická. Amorfní struktura však činí další XRD analýzy nepoužitelné. Na doplnění charakterizace struktury vrstev Lubrik se v současnosti stále pracuje.
    Fáze označená TiN odpovídá adheznímu TiN, používanému pro ukotvení vrstvy k substrátu. Neoznačené reflexe korespondují s reflexemi od substrátu (modrá linie). TiC reflexe povlaku se bohužel překrývá s reflexí TiC slinutého karbidu (přísadní karbidy) a není v tomto případě označena.

    Tvrdost

    Pro měření tvrdosti byl použit přístroj Fischerscope H100. Tvrdost je fakticky nezávislá na obsahu Al a je srovnatelná s tvrdostí ostatních typů kluzných vrstev (CBC 20 GPa, PLC 12 - 20 GPa, DLC nad 20 GPa, WC/C 10 - 15 GPa.). Tomu odpovídá i průběh hodnot fretting koeficientu. Z pohledu praxe by samozřejmě vyšší tvrdost nebyla na překážku.

    Frikční vlastnosti

    Frikční vlastnosti byly ověřovány tzv. fretting metodou. Principem metody je prolešťování povlaku kuličkou nebo hrotem pohybujícími se nízkofrekvenčními kmity. V příslušném grafu je provedeno porovnání standardního AlTiN povlaku a téhož povlaku doplněného na povrchu vrstvou Lubrik. Vliv kluzného povlaku, především v počátečních fázích zabíhání, je nepřehlédnutelný. Přibližně po 2000 cyklech dochází k opotřebení relativně tenké a měkké kluzné vrstvy a nadále je frikce již definována vlastnostmi povlaku AlTiN.

    Tepelná stabilita

    Pro zjištění tepelné stability byl zvolen vzorek velmi příbuzný vrstvě Lubrik, ale s vyšší výchozí tvrdostí. Důvodem specifického výběru vzorku je skutečnost, že vlivem žíhání dochází k poklesu tvrdosti vrstvy. Pokud je tvrdost vrstvy a substrátu podobná, může při měření dojít ke zkreslení hodnot. Podrobnosti k měření tvrdosti lze nalézt v MM 6/2004.
    Nicméně lze předpokládat, že hodnota zjištěná na tvrdším vzorku bude vypovídající i pro vrstvu Lubrik.
    Hodnota tepelné stability je zřejmá z příslušného grafu. Pro vzorek žíhaný 30 minut v atmosféře N2 je minimálně 600 °C. Pokles tvrdosti není významný až do teploty 800 °C. Měření bylo doprovázeno XRD měřením struktury vrstvy.

    Aplikace

    Lubrik byl samozřejmě testován nejenom laboratorně. Za mimořádné ochoty níže uvedených firem byly rovněž realizovány praktické testy. Ve firmě Kamax byla provedena zkouška tváření šroubařské oceli (ocel tř. 14). Životnost nástroje s původním povlakem byla 20 až 30 tis. kusů. S aplikovanou vrstvou Lubrik G došlo ke zvýšení životnosti na 60 až 90 tis. kusů.
    Další zkouškou bylo stříhání a tváření ocelí tř. 11, 12 a ocelí nerezových ve firmě Forez, kde nová vrstva nahradila standardně dodávanou vrstvu Marwin G.
    Společnost Karsit - Nástrojárna Postřelmov testovala povlakování nástrojů pro tváření misek z pozinkovaného plechu. Problémem aplikace bylo zadírání zinku v nástroji. Původní varianta povlaku Marwin SI eliminovala zadírání a přinesla zvýšení životnosti. Lubrik G zároveň dosáhl výrazně lepšího povrchu tvářeného materiálu.
    Ve společnosti Isolit-Bravo docházelo při tváření švových nerezových trubek k velkému otěru a vydírání razníku vlivem mikrootřepů. Bylo provedeno porovnání životnosti variant povlaků. Původní povlak TiN vykazoval životnost 6 - 8 tis. kusů, Lubrik G dosáhl snížení lisovacích sil, nižší teploty výlisků a životnosti 10 - 14 tis. kusů. Nanokompozitní varianta Lubrik SI navíc odolávala mnohem lépe i mikroskopickým nečistotám, a to s životností 14 - 20 tis. kusů.
    V průběhu zkoušek se objevil ještě jeden zajímavý aspekt nové vrstvy. Její nasazení v provozu neuškodí, ba naopak. Vrstva Lubrik může výrazně pomoci vyřešit ve výrobě dosavadní problémy. Z praktického hlediska lze konstatovat, že tyto vrstvy lze uplatnit všude tam, kde se používají jiné typy kluzných povlaků DLC, MoS2 nebo WC/C.
    Vrstva se nanáší jako závěrečná část již zavedených povlaků Marwin SI a Marwin G. Odtud se odvíjí i jejich obchodní označení Lubrik SI a Lubrik G. Typická tloušťka kluzné vrstvičky je od 0,3 do 0,5 ?m. V technicky opodstatněných aplikacích ji lze bez komplikací připravit i v tloušťce nad 4 ?m.
    Podle výsledků dosavadních analýz a testů lze předpokládat, že tato kluzná vrstva je pouze vstupní branou k mnohem rozsáhlejšímu systému PVD vrstev. Ale o tom snad někdy příště.
    Ondřej Zindulka
    Pavel Holubář
    Mojmír Jílek
    Roman Janků
    Všechny obrázky, tabulky a grafy naleznete v tištěné podobě časopisu.
    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.

    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.

    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.

    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“.

    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.

    Nový segmentovaný nanokompozitní povlak

    Společnost SHM se věnuje vývoji nanokompozitních povlaků již od roku 1996. V letošním roce uvádí na trh nejnovější výsledek vývoje - segmentovaný nanokompozitní povlak s obchodním názvem TripleCoating SI.

    Nový způsob řízení magnetronové depozice otěruvzdorných povlaků

    PVD technologie jsou v průmyslové oblasti poměrně dobře známé, včetně rozdílů mezi principiálně odlišnými metodami obloukového napařování a magnetronového naprašování. Některé nevýhody druhé metody lze eliminovat, případně překlopit do výhody, pokud se využijí nejnovější poznatky výzkumu a vývoje. Společnost SHM zahájila již v roce 2010 přípravu povlaků Darwin novou metodou, ktrerá vychází z vlastní patentované technologie magnetronového naprašování.

    Perfektní povrchová úprava

    Ten, kdo vytváří povlaky, může dosáhnout bezvadných výsledků pouze důkladnou předpřípravou povlakovaného povrchu. Také za tímto účelem investovala firma Bot Oberflächentechnik z Kulmbachu do nového zařízení – a dosáhla tak nakonec fascinujících výsledků.

    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