Povlaky, povlaky… bez nich to už prostě nepůjde!

Odhaduje se, že v současné době je více než 90 % nástrojů ze slinutých karbidů povlakovaných třemi základními druhy povlakování ‒ CVD, MTCVD a PVD. Tyto povlaky jsou zpravidla vícevrstvé, u PVD procesů mnohovrstvé až nanostrukturní. Povlaky jsou velmi tenké vrstvy pro řezné a tvářecí aplikace velmi tvrdých a otěruvzdorných materiálů (zpravidla několik mikrometrů), obr. 1.

Základními motivacemi pro aplikace povlaků jsou v závislosti na technologii zejména snahy o vyšší produktivitu, nižší výrobní náklady, lepší kvalitu opracování, vyšší přesnost výroby a její stabilitu a soudobý tlak na ekologické a environmentální aspekty, tzv. „zelenou“ výrobu.

Na povlaky však nelze pohlížet jako na zázračný všelék, protože mnohdy bývají poslední výrobní operací při výrobě nástrojů. Základními prerekvizitami jejich úspěšných aplikací jsou vhodný design nástroje, jeho geometrie (určující rozklad silového namáhání), druh řezného materiálu, jeho upnutí a technologické podmínky využívání. Zvláště důležitou roli sehrává výbrus nástroje, který vytváří nejen základní kotvicí podloží pro povlak, ale také může degradovat jak geometrii břitu (plastickým přehrnutím břitu, zanecháním ostřin, vylamováním špiček břitů), tak mechanické vlastnosti řezného materiálu (popuštěním, oxidací). Na druhé straně lze například přebroušením povlakovaného vrtáku znovuobnovit jeho vrtací schopnosti a někdy účinkem menšího poloměru ostří i jeho lepší vrtací vlastnosti, zvláště na počátku jeho používání. S rostoucím opotřebením břitů a chybějícím povlakem na hřbetech má takovýto vrták obvykle vyšší tendenci k zadírání, případně zlomení, ale i tak dosahuje lepších řezných parametrů, než vrták zcela nepovlakovaný.

Na řezný nástroj se pohlíží často jako na klínovitý nosník, schopný přenosu normálného a smykového zatížení. To obecně platí u rovinných částí čelních ploch a podobně na hřbetních plochách břitů, ale na každém nástroji se nachází přechodová plocha, která může mít celou řadu provedení – zaoblení, sražení nebo i poměrně složitý obecný tvar, podobný například elipsoidu. Tato zdánlivě zanedbatelná část nástroje však může mít doslova fatální účinek na řezivostní vlastnosti. Je to dáno tím, že čáry maximálních smykových napětí vytvářejí vějířovité pole s logaritmickými průběhy, které se stáčí úměrně tomuto zakřivení. Nástroj tak má možnost nejen vyvinutí výrazně tlakového namáhání v obráběném materiálu na jeho špici, ale i určité „osahávání si“ různých skluzových systémů krystalických mřížek a dislokačních struktur jednotlivých zrn materiálu smykovou napjatostí. Tímto způsobem si hledá vhodný skluzový systém a deformace pak probíhá zákonem minimálně vynaložené energie, jak výborně vystihl již Mylon Eugén Merchant v roce 1947.

Příroda je však spravedlivá a podle Newtonova zákona o akci a reakci je stejným způsobem zatěžován i řezný nástroj, na kterém bývají aplikovány právě ochranné ‒ otěruvzdorné ‒ povlaky. Tyto povlaky mohou za ideálních podmínek nástroj chránit nejen proti účinku normálných a smykových složek, ale zejména proti účinkům tepla jako vynikající teplotní štít - obr. 2,3. Několik mikrometrů dokonalého izolantu bez kovového pojiva silně zredukuje tepelný tok přes toto rozhraní tak, že se podkladový materiál sotva prohřeje. Na druhé straně povlaku se díky tření a uvolněnému teplu z anihilace dislokací při adiabatických podmínkách deformace blíží teplota obráběného materiálu jeho teplotě tavení. To může být dále umocněno exotermickou reakcí kovů s kyslíkovou atmosférou v místě řezu, která však může povlaky poškodit.

Toto kritérium nešlo dříve z hlediska fyzikální podstaty vůbec zaručit, neboť krystalizace látek na ostrých hranách je velmi odlišná od průběhů na rovinných vzorcích. Mimo uniformní průběh se tak mohou na ostří vytvořit zbytnělé útvary (tzv. anténní efekt) nebo naopak se povlak při chladnutí může smrštit podél hřbetních a čelních ploch a ostří může zůstat prakticky obnažené. Toto se však dnes řeší zcela spolehlivě tzv. předúpravou břitu, která zaručí téměř ideální pokrytí tohoto exponovaného místa i přilehlých povrchů. Povlakováním se vytvoří účinná překážka proti difuzi atomů uhlíku z karbidických fází do třísky, která vytváří podle Fickových zákonů nenasycené rozhraní s chemicky dostatečně silným potenciálem, podporovaném vysokými teplotami obrábění, takže zde může dojít i k disociaci a uvolnění i těžších prvků z nástroje.

Kéž by byly obráběné materiály prosty vměstků … Ale kdo by chtěl nosníky s póry, bublinami a dalšími defekty? Laciná a účinná dezoxidace materiály např. na bázi hliníku či křemíku zbaví taveninu těchto nehomogenit, ale pro obrábění se používají obvyklé materiály s vměstky, u kterých je analogie s trojským koněm zcela namístě. Tyto fáze jsou velmi jemné, často ostrohranné, dokonale zakotvené v okolní matrici, a když se jim podaří protnout cykloidní dráhu řezného břitu, jsou mnohdy úspěšnějšími bojovníky ve srovnání s nevhodně orientovanou řeznou částicí či kovovým pojivem nástroje. Problém se může nacházet i ve vlastním řezném materiálu, zvláště u spékaných polotovarů, ale ty jsou dnes u řezných materiálů dominantní, včetně rychlořezných ocelí. Často uvolněná karbidická částice WC se díky své ostrohrannosti hexagonálního krystalického původu moc kutálet neumí, zato se dokáže zaseknout mezi břit a obráběný materiál a stává se z ní naopak brusná nebo lapující částice, která může poškodit řezný nástroj a někdy i obrobek nebo výlisek.

Jsou jemné, velmi jemné a velmi tvrdé. Netvoří zrna v pravém slova smyslu, tvoří se z atomárních částic. Těch dále nedělitelných, jak je chápal Epikúros. Mohou držet spolu silou vpravdě lví, neboť se přitahují k povrchu nástrojů v povlakovací komoře takovou silou, že se při svém příletu doslova přibijí k těmto dopadovým místům, takže není potřeba žádné pojivo. Tuto kinetickou energii dále transformují na tlakové předpětí, které zvýší jejich odolnost proti tahovým složkám mechanickým i termickým. Za určitých podmínek vykrystalizují do kolumnárních struktur, které pak tlakem téměř nelze rozdrtit. Navážou se na pokladový materiál a směrem k povrchu lze řízenou stechiometrií navýšit jejich tvrdost a odolnost proti abrazi. Před případným nebezpečím je lze dále ochránit kluznými povrchy, které sníží abrazivní účinek interagujících fází a fungují pak lépe při záběhu nástrojů.

Posledním výrazným mechanismem opotřebení, kde povlaky pomáhají, je zabránění tvorbě nárůstků, tzn. adheznímu ulpívání částic obráběného materiálu na břit. To se vyskytuje zvláště u materiálů se zaručenou svařitelností. A opět povlaky tento mechanismus redukují ‒ jsou totiž nesvařitelné, nevytvářejí potřebná váznoucí místa při odvodu třísky. Povlaky pak pomáhají dodržovat výrobní tolerance, kvalitu povrchu i dostatečnou trvanlivost břitů – obr. 4,5.

To všechno dobrodružství poznání se odehrává v prostoru tak malém, že jej pouhým okem prakticky neuvidíme. Nejsou to však povlaky pro okrasu, které mění barvy podle módy, ale vrstvy odrážející znalosti mnoha vědních disciplín, aplikovaných na ostří břitu, v extrémních podmínkách zatížení. V každém případě udržují konkurenceschopnost dnešních podniků.

Výsledky této publikace byly získány v rámci NETME Centre Plus (LO1202) a finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v účelové podpoře programu „Národní program udržitelnosti I."

Autor: Prof. Ing. Miroslav Píška, CSc.

Firma: ÚST FSI VUT v Brně

piska@fme.vutbr.cz