Témata
Zdroj: SHM

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.

Reklama

Supertvrdé uhlíkové vrstvy se poprvé začaly testovat v 70. letech minulého století v Sovětském svazu, který stál v této době nepochybně v čele vývoje vrstev PVD. Byla použita v té době unikátní technologie nanášení nízkonapěťovým obloukem kombinovaná s metodou separace makročástic. Tato technologie se v různých obměnách používá dodnes. S touto metodou se pojí zásadní problém – je nutné použít speciální jednoúčelové povlakovací zařízení.

Makrofotografie znázorňuje vrstvu nanesenou pomocí magnetronové depozice. (Zdroj: SHM)

Různé způsoby nanášení vrstev

Vrstvy ta-C (tetra amorphous carbon s obsahem diamantových vazeb nad 50 %) mají sice unikátní fyzikální vlastnosti (vysoká tvrdost, nízký koeficient frikce), ale oblast jejich použití je limitovaná: lze je použít na obrábění neželezných materiálů, případně na tváření za nízkých teplot. Je tedy zřejmé, že finanční návratnost takového zařízení je minimálně diskutabilní. Pro přípravu těchto vrstev se používají dvě technologie nanášení: depozice nízkonapěťovým obloukem a depozice magnetronovým naprašováním. Technologie nízkonapěťového oblouku umožňuje přípravu podstatně tvrdších uhlíkových vrstev, doprovázených však řadou technologických problémů (drsnost, adheze). Jejich řešení je sice možné, ale celá technologie se stává poměrně složitou záležitostí. Naproti tomu technologie magnetronového naprašování je technologie relativně jednoduchá, ale kvalita vrstev je obecně horší. Společnost SHM používá povlakovací zařízení Pi411 firmy Platit. Za použití tohoto zařízení byla vyvinuta nová, svým způsobem unikátní technologie, spočívající v nanášení vrstev ta-C magnetronovou depozicí. Tyto vrstvy vynikají tvrdostí vyšší než 50 GPa, nízkou drsností a dobrou adhezí. Ukázku takovéto vrstvy můžete zhlédnout na přiložené makrofotografii. Pro odprašování uhlíku byla použita grafitová katoda umístěná ve standardní centrální pozici v zařízení Pi411.

Standardní povlakovací zařízení Pi411 od firmy Platit. (Zdroj: SHM)
Reklama
Reklama
Reklama

Testování povlaků pro konkrétní aplikace

Zásadní výhodou vrstvy ta-C je její vysoká tvrdost a extrémně nízký koeficient frikce. Pro ověření tohoto faktu bylo použito jednoduché zařízení na bázi minisoustruhu CQ931. Vybraný materiál je vyroben ve formě válce o průměru 10 cm a délce 10 cm. Na tento válec je v horní části umístěna koule opatřená testovaným povlakem o průměru 30 mm a je zatížena definovanou silou 2 N. Tenzometrem je vyhodnocována axiální síla působící na povlakovanou kouli. Jedná se o alternativu klasické metody pin-on-disk, je však výrazně rychlejší a umožňuje snadné testování povlaků vůči různým typům materiálů, jako jsou např. klasická ocel, litina, nerez, neželezné kovy a kompozitní materiály. Účel je zřejmý – můžeme rychle a efektivně odhadnout vhodnost použití povlaku ta-C pro konkrétní aplikační oblast.

Porovnání odolnosti proti otěru (na oceli 12050) a dalších fyzikálních vlastností pro vrstvy TiAlN a ta-C ukazuje tabulka:

Reklama

Přestože spektrum aplikací je omezeno na opracování neželezných materiálů (pro pracovní teploty nad 150 °C), zůstává pro povlaky ta-C ještě poměrně široká oblast použití:

• obrábění neželezných kovů, převážně na bázi Al;
• obrábění kompozitních materiálů;
• zdvihátka ventilů, pístní kroužky;
• dentální nástroje;
• obrábění dřeva, řezání papíru;
• tváření, stříhání, lisování.

Jednoduché testovací zařízení na bázi minisoustruhu CQ931. (Zdroj: SHM)

Závěr: hlavní výhody použité technologie

Jedinečnost použité technologie přípravy vrstev ta-C spočívá v tom, že ji lze aplikovat na standardním povlakovacím zařízení Pi411. Poznáním základních principů přípravy této vrstvy a jejich experimentálním ověřením bylo dosaženo podstatného zlepšení užitných vlastností vrstvy připravované magnetronovou depozicí – tedy především tvrdosti, adheze a v neposlední řadě i reprodukovatelnosti produkce.

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.

Jiný úhel pohledu aneb galaxie vlastností povlaků

Průmyslové PVD povlaky jsou dnes již technickou normálií. Jsou samozřejmostí nejenom v obrábění a tváření, ale i v mnoha typech komponent. Navzdory tomu zůstává hledání nových aplikací stále velmi komplikované. Přehled základních vlastností a jejich kombinací v různých neobvyklých aplikacích by mohl být inspirací a pomocí konstruktérům a technologům při řešení praktických technických problémů, které jsou zažitými postupy řešitelné velmi obtížně.

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.

Související články
Plzeňské setkání strojařů

Katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni letos uspořádala již devátý ročník mezinárodní konference Strojírenská technologie Plzeň. V porovnání s minulým ročníkem zaznamenala podstatně větší návštěvnost – čítala téměř dvě stě účastníků a uskutečnilo se bezmála šedesát prezentací. Náš časopis na konferenci figuroval jako mediální partner akce.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
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.

Z garáže až na vrchol v PVD technologii povlakování

Pavel Holubář je ředitelem průmyslové společnosti SHM. Tato zkratka značí Super Hard Materials, a to je přesně to, o co tu jde. Zjednodušeně řečeno jde principiálně o fyzikální metody nanášení tenkých vrstev na nástroje, kdy nanesená několikamikronová vrstva dává materiálu zcela jiné mechanické vlastnosti. Především podstatně prodlužuje jeho životnost. Jaká byla 25 let trvající cesta až na samotný vrchol, kdy technologie firmy SHM jsou v současné době rozesety ve 35 zemích světa? O tom – a nejen o tom – jsme si s Pavlem Holubářem povídali.

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.

Přesné měření tloušťky povlaků

Pro optimalizaci vlastností povrchových povlaků a filmů ve výzkumu, vývoji i průmyslové výrobě je důležitá přesná kontrola jejich tloušťky a rovnoměrnosti rozložení. Metrologická metoda CCI představuje mimořádnou přesnost měření pro široký rozsah tlouštěk povlaků.

Jarní setkání strojařů v Plzni

Více než 30 vystavovatelů, téměř 50 řečníků, tři výstavní haly a jeden nezapomenutelný strojírenský zážitek. Akce Strojírenská inspirace 2024 se konala v Plzni od 4. do 6. června 2024 a zaměřila se na digitální výrobu, automatizaci a inovace ve strojírenství. Letos poprvé se toto setkání uskutečnilo v areálu Depo2015, který se stal centrem pro sdílení zkušeností a nápadů mezi odborníky z průmyslu a digitalizace.

Odlehčovací optimalizace 3D tištěné frézy

Vývoj v oboru obrábění se tradičně potýká s mimořádným dynamickým zatížením soustavy na straně jedné a požadavky na přesnost a produktivitu obrábění na straně druhé. Nalezení takové konstrukce nástroje, která odolá extrémním provozním podmínkám, a přitom umožní proces obrábění urychlit, může vést k zefektivnění výrobního procesu. Příkladem toho může být vývoj odlehčené frézovací hlavy. Dosavadní konstrukce obráběcích nástrojů vycházely z jednolitých plných tvarů zaručujících vysokou tuhost na úkor dynamických vlastností nástroje. Změnou vnitřní struktury je však možné najít optimum mezi těmito protichůdnými požadavky.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

CIMT Peking, Část 2. Win Together

Podtitul veletrhu CIMT 2019 byl: 融合共赢 智造未来. Musíte uznat, že motto veletrhu je v této pro nás exotické podobě zahaleno značným tajemstvím. Dáte-li větu do automatického překladače, výsledná myšlenka zní: fúze a výhra. Jednoduchá slova, divný obsah - tento způsob nalezení významu věty opravdu není žádná výhra. Proto se o nápravu "ztráty v překladu" pokusíme v druhém vstupu z veletrhu, ve kterém se tentokrát podíváme i za technikou.

CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

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