Počítačová simulace růstu PVD povlaků a nová řada trojvrstvých povlaků

První dekáda 3. tísíciletí přinesla nebývalý rozvoj v oblasti přípravy PVD povlaků a obecně povrchových úprav. Ve srovnání se statisticky výchozím rokem 2000 došlo v oblasti výroby obráběcích strojů a nástrojů k nárůstu o 21 %, resp. o 17 %. V oblasti povrchových úprav pak tento nárůst přesahuje 110 %. Většinu tohoto nárůstu tvoří tenké povlaky, a to rozdílně pro Evropu 72 %, pro USA 54 %.

Význam povlaků na nástrojích

Technologie povlakování řezných nástrojů přitom zaznamenává za poslední období obdivuhodné tempo růstu. Jestliže první PVD povlaky TiN byly připraveny počátkem 80. let a v roce 1988 přibyly jen 2 další typy (TiCN a CrN), tak v roce 2000 se dalo napočítat přibližně 14 základních typů PVD povlaků. V současné době je na trhu prezentováno více než 70 typů povlaků, pokud bereme jako kritérium rozdílnosti pouze odlišné chemické složení!

Dnešní povlaky se ovšem liší v mnoha dalších kritériích, a proto je škála komerční nabídky mnohem vyšší než zmíněných 70 typů. Odlišnosti jsou především ve struktuře povlaků, a to v měřítku od mikrometrů po nanometry. Strukturální variablitu představují zvláště multi- a nanovrstevné systémy, případně gradientní struktury (obr.1). Dalším rozlišujícím parametrem jsou přísady některých prvků ve velmi malém množství, ale s významným vlivem na výsledné vlastnosti povlaku a jeho užitné vlastnosti.

Nejdůležitější přídavné prvky a jejich vliv na vlastnosti PVD povlaků

• Uhlík

• Povlaky na bázi TiAlN-AlTiN

• Cr dopované povlaky

• Křemík

Vynikající izolační vlastnosti a vysoká tepelná odolnost Vynikající izolační vlastnosti a vysoká tepelná odolnost křemíku jsou všeobecně známy. Již povlaky, které obsahují Si jako slitinový prvek v kovové fázi, jsou velmi úspěšné pro HSC [5]. Pokud je použita vhodná PVD technologie [6], [7], [8], může přídavek Si podpořit vznik tzv. nanokompozitních povlaků [9]. Nanokrystalická zrna TiAlN-, AlCrN- nebo AlTiCrN- jsou umístěna v amorfní matrici tvořené nitridem křemíku (obr. 2). Amorfní matrice zabraňuje růstu krystalů a udržuje vysokou tvrdost přesahující i 50 GPa. Nanokompozitní vrstvy představují špičku mezi otěruvzdornými povlaky současnosti.

Jaký je cíl nových povlaků s obchodním názvem TripleCoatings?

S pomocí vhodného a cíleného dopování povlaků je možné vytvořit vrstvy pro speciální aplikace s velmi vysokými výkony ve srovnání s povlaky „univerzálními“. Bez ohledu na takové na míru šité povlaky však existuje řada uživatelů, kteří dají přednost právě univerzálnímu řešení. Není ovšem možné připravit univerzální povlak v nejširším slova smyslu. Přesto právě povlaky s dopanty zmíněnými výše (Ti, Al, Cr, C, Si) ve vícervstvém provedení a v kombinaci s nanokompozitní vrstvou mohou být trendem ve vývoji nových univerzálních povlaků. Tuto myšlenku sledují představované TripleCoatings [10].

Struktura a složení těchto povlaků jsou založeny na následujících principech:

• k dosažení optimální adheze není možné, aby povlak začínal vícesložkovou adhezní vrstvou deponovanou ze slitinových targetů (např. TiAl nebo AlCr nebo TiSi). Optimální adheze může být zajištěna polaky Ti-TiN nebo Cr-CrN, deponovanými z jednosložkových targetů;
• TripleCoatings musí být minimálně tak univerzální, jako jsou dnešní TiAlN-AlTiN povlaky. AlTiN se tak jeví jako základní nosná vrstva TripleCoatings;
• bez ohledu na univerzalitu musí být TripleCoatings použitelné pro vysoce výkonné aplikace. Právě nanokompozitní vrchní vrstva takové použití umožňuje.

TripleCoatings mohou být připraveny především díky LARC-CERC technologii [7, 11, 13, 14] pracující s rotačními, většinou neslitinovými targety (TripleCoatings mohou být připraveny především díky LARC-CERC technologii [7, 11, 13, 14] pracující s rotačními, většinou neslitinovými targety (obr. 3):

• základní konfigurace povlakovacího zařízení (π300 [10], [11]) pracuje s 3+1 katodami. Tři LARC katody (LAteral Rotating Cathodes) jsou ve dveřích a jedna CERC katoda (CEntral Rotating Cathode) je uprostřed povlakovací komory. Struktura a složení povlaků jsou volně programovatelné;
• tenká (~200 nm) adhezní vrstva je deponována z čistého Ti nebo Cr targetu (katody);
• houževnatá základní vrstva (TiAlN-AlTiN) je deponována s pomocí centrálního (Al(Ti)) targetu a z Ti targetu (katody) umístěného ve dveřích;
• povrchová velmi tvrdá a otěruvzdorná vrstva může být tvořena CrAlN/SiN (nACRo [12]) nanokompozitním povlakem (viz příklad na obr. 3) nebo TiAlN/SiN. Povrch je tak extrémně tvrdý a tepelně odolný.

„Konstrukce“ složení a růstu TripleCoatings s použitím počítačové simulace

Z předchozích informací vyplývá, že struktura nových univerzálních povlaků je značně komplikovaná. Většina řezných nástrojů má rotační charakter a s ohledem na maximální využití objemu povlakovací komory je nezbytné, aby nástroje během povlakování rotovaly, a to většinou ve třech osách. Pokud chceme mluvit o řízeném povlakovacím cyklu a volně programovatelné technologii, pak musíme kombinovat a řídit mnoho volných parametrů. Většina dnešních technologií je ověřována empiricky, pomocí experimentů. V případě složitých struktur, jako jsou TripleCoatings, by to vedlo k nákladné a zdlouhavé práci. V obdobných případech je v jiných oborech běžně využívána počítačová simulace procesů. V oboru přípravy PVD vrstev však počítačová simulace není příliš využívána a prezentována, a tak nastal čas tento fakt změnit.

Příklady počítačové simulace

Jak ukazují následující příklady, počítačová simulace poskytuje významnou pomoc při návrhu povlakovacího procesu s ohledem na stechiometrii, prvkové složení a strukturu povlaku na substrátu. Výsledky simulace depozice povlaku nACo3 (TripleCoatings) nám poskytují důležité informace, aniž by proběhla jediná depozice. Je to patrné i z následujících příkladů:

• pokud nejsou parametry procesu a poměr ozubených kol rotace zvoleny optimálně, můžete získat nerovnoměrně nanesenou tloušťku povlaku po obvodu nástroje (obr. 4– simulace nevhodných parametrů);
• v dalším příkladu jsme vytvořili periodicky se měnící stechiometrii, která tvoří v tomto případě nechtěnou multivrstevnou strukturu (obr.5);
• po optimalizaci poměrů ozubených převodů rotace nástrojů může být tento nechtěný jev vyřešen (obr. 6). Vše bez jediného nákladného experimentu;
• depoziční rychlost je pro nástroje umístěné v povlakovacím držáku se třemi osami rotace (např. osové nástroje) o 45 % nižší než depoziční rychlost pro nástroje umístěné v držáku se dvěma osami rotace (např. odvalovací frézy) (obr. 7).
• Kromě vlivu různých časových period, kdy je nástroj v „povlakovatelné“ pozici, je zde i vliv zastiňování sousedními nástroji či držákem. Z počítačové simulace, pokud se zmíněné parametry zahrnou do výpočtu, je možné vyhodnotit rozdílnou povlakovací rychlost i s vlivem na výslednou strukturu povlaku;
• simulace vertikální rovnoměrnosti tloušťky naneseného povlaku nám poskytuje nesmírně důležitou informaci o způsobu nakládání nástrojů (substrátů) do povlakovací komory (držáku). Příliš velká vzdálenost mezi špičkou nástroje a horním stíněním zvyšuje tloušťku povlaku právě na špičce nástroje. Tento negativní „anténový efekt“ je možné potlačit zvolením vhodných vzdáleností nástrojů a stínicích krytů (obr. 8);
• simulace vertikální rovnoměrnosti tloušťky povlaků po celé povlakovací výšce (obr. 9) byla použita při vývoji a konstrukci pozice katod v nové povlakovací vakuové komoře (obr. 10) s obecným uspořádáním katod podobně jako v zařízení PI300.

Jak dobré jsou TripleCoatings v průmyslové praxi?

• Soustružení

• Frézování

• Vrtání

Vrtání je momentálně nejúspěšnější aplikací TripleCoatings (Vrtání je momentálně nejúspěšnější aplikací TripleCoatings (obr. 13) [7]. Konkurenční povlaky (TiAlN, AlTiN, AlCrN a AlCrN/TiSiN) jsou jednoznačně poraženy:TripleCoatings struktura umožňuje přípravu i větších tlouštěk povlaků, což je v případě vrtání velmi užitečné, a v neposlední řadě i nízký rozptyl výsledků ukazuje na zlepšení reprodukovatelnosti přípravy těchto povlaků.

Cselle, T.¹⁾, Coddet, O.¹⁾, Holubář, P.²⁾, Jílek, M.²⁾, Jílek, J.²⁾, Luemkemann, A.¹⁾, Morstein, M.¹⁾

¹⁾ PLATIT AG, Grenchen, Švýcarsko

²⁾ SHM, s. r. o., Šumperk, Česká republika

Literatura

PALDEY, S. aj. Single and Multilayer Wear Resistant Coating of (Ti, Al)N. A Review Material Science and Engineering. Elsevier B. V., New York, A342/2003.

CSELLE, T. Application of Coatings for Tooling – Quo Vadis 2005. VIP Vacuum"s Best, Wiley, Weinheim, 2005.

3. WILLMANN, H. aj. Thermal Stability and Age hardening of Supersaturated AlCrN Hard Coatings – Heat Treatment and Surface Engineering. IHTSE Maney, London, 1/2007.

4. Occupational Exposure to Hexavalent Chromium. US-Occupational Safety & Health Administration Federal Register: Febr/28, 2006 Vol. 71, no. 39, Rules and Regulations, s. 10 099–10 385.

5. TANAKA, Y. aj. Structure and properties of Al-Ti-Si-N coatings.Surface & Coatings Technology. Elsevier, 215/2001, s. 146–147.

6. P. HOLUBAR, M. JÍLEK, M. SIMA. Nanocomposite nc-TiN/BN coatings: Their applications on cemented carbide substrates and results of cutting tests. ICMCTF99, San Diego, April 1999. Surface and Coating Technology, s. 120–121,1999, 184.

7. CSELLE, T. aj. LARC: New Coating Technology for Industrial Use, Schwiss Quality Production. Hanser, Zurich, May 2003.

8. MORSTEIN, M. aj. Rotating ARC PVD Cathodes – Five Years of Dependable High Performance. ICTCMF, G7-6, San Diego, Apríl 2007

9. VEPREK, S. aj. Different Approaches to Superhard Coatings and Nanocomposites. Thin Solid Films. Elsevier, Amsterdam, 476 (2005) s. 1–29.

10. TripleCoatings. Dostupný z WWW: //www.platit.com.

11. CSELLE, T. aj. 3+1 Cathodes – 30 Coatings – 300 Batches without Target Exchange. Swiss Quality Production. Hanser, Zurich, 8/2007.

12. KARVANKOVA, P. aj. Thermal stability nc-CrN/a-SiN coatings. Material Research Society, Fall meeting, Boston, 2005.

13. JILEK, M. aj. New Machine Concept for TripleCoatings. ICTCMF, G7-2-905, San Diego, Apríl 2008.

14. HOLUBAR, P. Large-Scale Industrial Applications of Superhard Nanocomposites and Development of Advanced Coating TechnologyNanocoatings. Budapest, Apríl 2008.

15. Balinit Alcrona makes your tools fit for the ultimate in performance. Dostupný z WWW: //www.oerlikonbalzerscoating.com.

16. ISHIKAWA, T. aj. TiSiN based Ultra-hard Coating Materiále. Hitachi Metals Technical Review. Tokyo, 21/2005, s. 59–64.

PLATIT

//www.shm-cz.cz/

www.platit.com

holubar@shm-cz.cz