Použití DLC povlaků (nejen) v automobilovém průmyslu

Díky zvýšeným požadavkům na kvalitu, produktivitu a výrobní náklady dochází k velmi rychlému růstu poptávky po moderních povlacích, mezi něž patří povlaky označené zkratkou DLC. Firma VÚHŽ zareagovala na požadavky trhu a výrazně rozšířila spektrum nabízených povlaků. Dnes jako jediná v ČR nabízí tři povlakovací technologie – CVD, PACVD a PVD. V nabídce má také tři moderní DLC povlaky nanášené na nových povlakovacích zařízeních od holandské společnosti Hauzer.

Na nástroje používané v automobilovém průmyslu jsou kladeny vysoké nároky. Důležitým měřitelným parametrem je zde přesnost. Nejen z pohledu samotného nástroje, ale zejména z pohledu konečného výrobku, kde musí být dosaženo vysoké povrchové kvality. Dalším důležitým parametrem je životnost samotného nástroje, který hlavně při velkosériové výrobě hraje důležitou roli z pohledu výrobních nákladů. DLC povlaky jsou aplikovány nejčastěji na nástroje pro třískové obrábění a tváření za studena. Jejich využití výrazně prodlužuje životnost nástrojů a má tak kladný vliv na ekonomiku konečných výrobků.

V automobilovém průmyslu se DLC povlaky aplikují nejen na nástroje pro výrobu komponent, ale také i na samotné automobilové součásti. Povlakování dílů slouží například ke snížení třecích ztrát v motorových částech a ochranu před opotřebením a korozí. Používá se také pro zvýšení tvrdosti povrchu materiálů, které nahradily ocel z důvodu snižování hmotnosti vozů (zejména hliník). To má za následek kromě prodloužení životnosti dílu také snížení spotřeby pohonných hmot a snížení spotřeby paliva a nižší emise CO2 vypouštěné do ovzduší, do čehož jsou v současné době evropské automobilky tlačeny. Mezi nejčastěji povlakované automobilové díly patří pístní kroužky, ventily, písty, části čerpadel, vačkové hřídele (nebo samotné vačky), části vstřikování apod.

Ve firmě VÚHŽ je možné od loňského roku připravovat výše zmíněné DLC povlaky tří základních typů – DLC Comp, DLC Hard nebo DLC Sillcomp. Základní charakteristiky těchto povlaků jsou uvedeny v tabulce na konci článku. Tyto vrstvy prokázaly své unikátní vlastnosti v mnoha aplikacích, kde je potřeba současně zajistit vysokou odolnost proti opotřebení, nízký koeficient tření a zabránit nalepování zpracovávaného materiálu na povrch nástroje. Mezi typické aplikace patří nástroje pro opracování barevných kovů za studena, tedy povlakování lisovacích nástrojů a řezných nástrojů (fréz, vrtáků, závitníků apod.). Tento typ povlaku se osvědčil při zpracování hliníkových a zinkových slitin, bronzů apod. Zde je důležité zdůraznit vysokou odolnost proti adhezi barevných kovů na povrch nástroje.

Aplikovaná technologie povlakování a typu vazné vrstvy umožňuje tento typ povlaku nanášet na celou řadu základních materiálů, počínaje ocelemi, litinami a konče barevnými kovy. Modifikace technologie povlakování vždy závisí na konkrétních požadavcích zákazníků, resp. na typu povlakovaného materiálu a na podmínkách zatěžování povlaku.

Povlaky DLC Comp a DLC Hard se také osvědčily při aplikaci na hliníkové formy na vstřikování plastu a pryže, formy na tváření hliníku a povlakování strojních dílů s požadavky na nízký koeficient tření. Unikátní vlastnosti DLC povlaků nanášených ve VÚHŽ umožňují ušetřit náklady ve skutečně širokém spektru průmyslových aplikací. Je nutno také zdůraznit, že podle konkrétních požadavků daných aplikací se provádí vývoj a modifikace technologií a tedy i finálních vlastností povlaků.

Pojem DLC (z anglické zkratky „diamantu podobné vrstvy“) se v současné době používá pro označení metastabilního stavu amorfního uhlíku obsahujícího významný podíl sp3 vazeb. Tyto vrstvy mají většinou velice zajímavé mechanické vlastnosti, jako velkou tvrdost, chemickou netečnost, průsvitnost a výborné tribologické vlastnosti. DLC vrstvy proto mají velké možnosti průmyslového využití od ochranných povlaků, automobilový průmysl, medicíny (povlaky na kloubní náhrady) až po mikroelektroniku.

Uhlík obecně tvoří velkou škálu krystalické a neuspořádané struktury, protože je schopen existovat ve třech různých hybridizačních stavech sp¹, sp² a sp³. V konfiguraci vazeb sp¹, dva ze čtyř valenčních elektronů tvoří

vazbu ve směru osy x a zbylé dva tvoří

² (jako u grafitu), tři ze čtyř valenčních elektronů tvoří sigma vazby v jedné rovině a čtvrtý elektron tvoří

³ konfiguraci (jako u diamantu) je každý ze čtyř valenčních elektronů nasměrován do čtyřstěnu, což umožňuje tvorbu velmi silných

Valenční pás atomu pak tvoří dva oddělené pásy a pásy obsazené elektrony jsou od nezaplněných odděleny velkou energetickou bariérou (band gap). Právě tyto silné

³ vazeb jsou za DLC vrstvy v literatuře označovány nejenom amorfní uhlíkové materiály (dále a-C), ale také a-C dopované vodíkem (dále a-C:H). Pro zvýšení podílu sp3 vazeb ve vrstvách a-C (nebo a-C:H) jsou vyvíjeny různé depoziční metody. DLC vrstvy bez vodíku vykazují větší podíl sp³ vazeb a s tím spojenou větší tvrdost, odolnost proti plastické deformaci, vyšší tepelnou stabilitu (při vyšších teplotách dochází u hydrogenovaných DLC vrstev k uvolňování vodíku).

Při určitém větším podílu (>80 %) sp3 vazeb můžeme v literatuře vidět trend označovat a-C vrstvy jako ta-C. Toto označení také souvisí se čtyřstěnným rozmístěním valenčních elektronů v sp3 konfiguraci. Můžeme najít i další charakterizaci DLC vrstev, definovanou nejenom podle sp3 vazeb jako ta-C vrstvy, viz tabulka na konci článku.

Pro vytváření DLC vrstev se používá např. depozice iontovým svazkem. První DLC vrstvy byly připraveny právě touto metodou. Samotné metody pro depozici iontovým svazkem mohou být rozděleny podle použitelnosti v laboratorním nebo v průmyslovém prostředí. Společným rysem těchto metod je to, že DLC vrstva kondenzuje ze svazku uhlíkových iontů o zhruba středních energiích ~ 100 eV a dopadající ionty způsobují fyzikální proces růstu vrstev s sp³ vazbami. Existuje také chemický proces růstu vrstev s sp³ vazbami, jako např. CVD metody, kde chemický proces stabilizuje sp3 vazby.

Pro přípravu DLC vrstev se jako jedna z nejvíce používaných průmyslových procesů používá naprašování. Nejběžnější je DC (stejnosměrné) a RF (střídavé) naprašování z uhlíkového terče v argonové atmosféře. Pro větší depoziční rychlost se používá magnetronové naprašování, které umožní prodloužení dráhy elektronů, v důsledku Lorentzovy síly se musí pohybovat po šroubovici podél siločar. Tak se výrazně prodlužuje jejich dráha v blízkosti terče, prodlužuje se i doba jejich setrvání v oblasti výboje a zvyšuje se pravděpodobnost ionizace dalších atomů pracovního plynu. Zejména nižší tlak a také přímá dráha rozprášených atomů (beze srážek s atomy pracovního plynu) se pozitivně projevuje ve větší čistotě vytvářených vrstev. Používají se také další metody, např. CVD, katodový oblouk a další.

Tribologické chování DLC vrstev se může lišit v závislosti na typu vrstvy, zkušebních podmínkách a prostředí. Z literatury je známo, že zejména hodnoty tření DLC vrstev se mohou pohybovat v rozsahu 0,001–0,7, což pravděpodobně představuje nejširší škálu koeficientu tření mezi všemi dalšími materiály nebo povlaky. Co se týká otěru, některé DLC vrstvy jsou velmi měkké a náchylné k poškození, zatímco jiné jsou velmi tvrdé a odolné proti opotřebení (opotřebení těchto filmů je velmi nízké, ~10-11 mm3.Nm^-1). Tak velké rozdíly v hodnotách koeficientu tření a opotřebení DLC vrstev plyne především ze struktury vrstev.

Ing. Martin Louda Ph.D.

VÚHŽ
Louda@vuhz.cz
www.vuhz.cz

Tabulka 1. Základní charakteristiky povlaků

Tabulka 2. Struktura, složení a vlastnosti dvou forem DLC vrstev