Povlakování nástrojů metodou PACVD

Metoda PACVD je povlakování nástrojů při mnohem nižších teplotách než u konvenčních CVD technik. Plazmou aktivovaný CVD proces umožňuje snížit teplotu potřebnou pro vznik vrstvy na povrchu substrátu na 470–530 °C. Nástroje jsou povlakovány až po konečném zušlechtění na požadovanou tvrdost a v průběhu povlakování nedochází k rozměrovým změnám. Touto metodou lze povlakovat i dutiny. PACVD povlaky se vyznačují extrémně nízkým koeficientem tření – až 0,1.

Výhody metody PACVD

• Vrstvy PACVD několikanásobně zvyšují životnost nástrojů.
• Metoda PACVD umožňuje provádět nitridaci a povlakování v jednom procesu.
• Metoda PACVD nepotřebuje vysoké vakuum, takže odplynění použitého zařízení je snazší a kratší.
• Zařízení PACVD nepotřebuje rotační části. Povlakované díly nerotují. V důsledku nucené cirkulace plynu v povlakovací komoře se vylučuje homogenní povlak i na velmi složitých nástrojích s dutinami.
• PA CVD technologie umožňuje povlakování rozměrných a těžkých kusů až do hmotnosti 1 250 kg.

Výhody nástrojů povlakovaných PACVD

Povlakování tvrdými PACVD povlaky je vhodné pro optimalizaci povrchových vlastností kovových nástrojů a konstrukčních součástí. Přitom díky modifikovanému povrchu je významně zvýšená jejich životnost. Pro využití možnosti nástroje povlakovat PACVD technologií jednoznačně hovoří výsledné vlastnosti povlakovaných součástí:

• několikanásobné zvýšení životnosti;
• nízký koeficient tření;
• výborné tribologické vlastnosti;
• snížené opotřebení;
• žádné změny v mikrostruktuře a rozměrech;
• možnost povlakování dutin;
• snížení spotřeby mazadel a separátorů;
• zvýšení odolnosti proti tepelné únavě;
• snížení přilnavosti hliníků, mědi a jiných barevných kovů na povrch nástroje.

Technologie PACVD

Zařízení na povlakování metodou PACVD umožňuje jak samotné povlakování, tak i nitridaci a iontové čištění povrchů. Po ustálení na procesní teplotě probíhají následující operace:

1. Iontové čištění povrchu – kladně nabité ionty procesního plynu dopadají na povrch substrátu, kde jsou zakotveny atomy nečistot. Předáním vysoké kinetické energie iontů (cca 10 eV) dojde k vyražení nečistot z povrchu materiálu.

2. Plazmová nitridace povrchu – provádí se pro zlepšení adheze povlaku a základního materiálu. V případě speciálních aplikací je možné realizovat hlubokou nitridaci dle požadavku zákazníka (tzv. duplex).

3. Nanesení povlaku – v plazmě vznikají kladně nabité molekuly (Ti+, N+ atd.), které se vyloučí na záporně nabitém polotovaru. Cíleným řízením procesu vzniknou vrstvy v požadovaném složení a se žádoucími vlastnostmi.

Vrstvy CVD jsou nanášeny zpravidla na slinuté karbidy, rychlořezné oceli a vybrané nástrojové oceli. Vzhledem k tomu, že zušlechťování na požadovanou tvrdost u CVD povlaků probíhá až po povlakování, je možné CVD povlaky aplikovat na nástroje s většími tolerancemi (± 0,02 mm). PACVD povlaky nacházejí přednostní uplatnění zejména při povlakování vysoce přesných a tvarově složitých zušlechtěných ocelových nástrojů.

Vývoj multivrstev a nanovrstev

Při metodě PACVD je zvyšována energie plynné atmosféry v povlakovací komoře pomocí její ionizace a aktivace v plazmatickém výboji. Chemicky aktivované plazma umožňuje snížit teplotu potřebnou pro depozici vrstev na povrchu substrátu. Plazma lze vytvořit pomocí vnějšího elektrického napájecího zdroje (nízkofrekvenční střídavé napětí, vysokofrekvenční střídavé napětí, stejnosměrné napětí, pulzní stejnosměrné napětí) nebo reaktivním plynem (např. NH₃). Výhodou metody PACVD je zanedbatelná difuze mezi vrstvou a substrátem v důsledku nízké teploty. Vrstvy jsou připravovány za termodynamicky nerovnovážných podmínek, což umožňuje přípravu nových typů vrstev s unikátními fyzikálními vlastnostmi a jejich kombinace v multivrstvách a nanokrystalických kompozitech. Speciální mnohovrstvé povlaky mají méně či více výrazné přechody mezi jednotlivými vrstvami.

Multivrstvy jsou vytvořeny pravidelným střídáním dvou typů vrstev s rozdílnými vlastnostmi. Vlastnosti jsou odlišné od vlastností monovrstev stejného průměrného složení. Tvrdost a houževnatost závisí na tloušťce jednotlivých vrstev, poměru jejich složek, na typu kombinovaných materiálů a nelze je popsat jednoduchým směšovacím pravidlem. Každé rozhraní jednotlivých vrstev funguje jako bariéra proti šíření trhlin, takže se zvýší odolnost proti šíření trhlin. Drsnost povrchu je výrazně nižší než u tradičních vrstev, což příznivě působí na snižování tření, čímž se snižuje množství vzniklého tepla. Multivrstvy mají i vyšší odolnost proti chemickým reakcím a vyšší trvanlivost.

Nanovrstvy (supermřížky) jsou tvořeny střídáním velmi tenkých vrstev (cca 10 nm) s různými vlastnostmi.. Tloušťka vrstviček je rozhodující pro výsledné vlastnosti. Optimalizací lze dosáhnout velmi vysokou tvrdost a odolnost vůči šíření mikrotrhlin.

Praktické aplikace vrstev PACVD

Přesné kalibrovací nástroje

PACVD vrstvy jsou vhodné na přesné kalibrovací nástroje. Povlakovány byly kalibrační matrice. Standardně jsou kalibrační kroužky vyráběny z materiálu 1.3343. Původně byly povlakovány technologií vysokoteplotního CVD. Vzhledem k vysokým požadavkům na rozměrovou přesnost, ovalitu a házivost byl problém při klasickém technologickém cyklu s konečným vysokoteplotním CVD povlakováním a následným zušlechťováním, dosáhnout požadovaných rozměrových tolerancí. V případě, že rozměrových tolerancí bylo dosaženo, byla životnost kalibračních kroužků velmi vysoká – cca 1 mil. ks. Problémy s rozměrovou přesností znamenaly vysokou zmetkovitost a vysoké výrobní náklady. Kalibrační matrice byly napovlakovány PACVD technologií sendvičovým povlakem TiCN + TiN s tloušťkou povlaku 2–2,4 μm při povlakovací teplotě 520 ±5 °C. Koeficient tření klesl pod 0,1, byly odstraněny problémy s rozměrovou přesností a zmetkovitostí, což vedlo k ekonomickému přínosu.

Tvářecí a lisovací nástroje

V četných aplikacích byly povlakovány nástroje pro lisování plechů, objemové tváření za studena, razidla pro značení kovových dílů, průtlačnice aj. U všech těchto aplikací bylo dosaženo vyšší životnosti a snížení provozních nákladů.

Obráběcí nástroje

Při aplikaci na vrtáky, závitníky, frézy či soustružnické nože došlo ke 3- až 5násobnému zvýšení životnosti ve srovnání s nepovlakovanými nástroji. Dochází k zamezení vzniku nárůstků na ostří a v důsledku vyššího využití strojního času, možnosti zvýšení řezných rychlostí a prodloužení intervalů mezi ostřením ke zvýšení produktivity práce. U některých aplikací je vhodná úprava geometrie ostří, obdobně jako u PVD (snížení koeficientu tření).

Formy pro tlakové lití

Byly vyvinuty speciální vrstvy Nanokomp TiBN+TiB₂ na nástroje pro protlačování a tlakové lití hliníku, zinku, mosazi, bronzu aj. s 3- až 5krát vyšší životností. Další výhody jsou ve zvýšení využití strojního času, prodloužení intervalů mezi čištěním forem v důsledku eliminace nalepování barevných kovů na formy. Tyto výrobky dokumentují reálné možnosti povlakování složitých tvarů a dutin. Ve všech případech byl při provozních testech experimentálně prokázán výrazný vzrůst životnosti nástrojů v důsledku jejich povlakování PA CVD povlaky.

Závěr

Bylo experimentálně prokázáno, že v případě, kdy popouštěcí teplota pro povlakovaný materiál je vyšší než 550 °C, nedojde v průběhu povlakování k poklesu tvrdosti. Při povlakování nástrojů s popouštěcí teplotou nižší než 530 °C k poklesu tvrdosti dochází. Toto je důležitý poznatek, na základě kterého je možné specifikovat materiály povlakovatelné bez změny mechanických vlastností.

V provozních podmínkách byly tyto vrstvy testovány i jako tepelná bariéra, zejména pro případ tlakového lití hliníku (v důsledku tepelných šoků při výrobě dochází k tepelné únavě materiálu, vzniku mikrotrhlin a následně kavit). Bylo prokázáno, že nástroje, resp. formy povlakované technologií PACVD vykazovaly 3- až 5krát vyšší životnost ve srovnání s nepovlakovanými nástroji. Tato skutečnost byla prověřena na několika licích strojích u různých firem.

Při nasazení povlakovaných nástrojů v provozních podmínkách bylo prokázáno, že povlakováním technologií PACVD se zvyšuje abrazivní odolnost nástrojů. Současně dochází i ke zlepšení kluzných parametrů ve styku zpracovávaného materiálu a nástroje.

Článek je zpracován s využitím výsledků řešení projektu MPO Tandem s názvem „Nízkoteplotní povlakování nástrojů technologií CVD“ realizovaného v letech 2005 až 2007 ve VÚHŽ, a. s., Dobrá.

Ing. Slavomír Hořejš, CSc.

VÚHŽ

horejs@vuhz.cz

//www.vuhz.cz/

Chybějící tabulku naleznete v tištěné verzi časopisu.