Témata
Zdroj: SHM

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.

Reklama

Povlak je složen ze dvou PVD vrstev. Základní vrstvou je standardní vysokohliníkový gradientní nanokompozitní AlCrSiN (komerční ALWIN) deponovaný nízkonapěťovým obloukem. Jeho tloušťka byla pro aplikace tváření zvýšena na neobvyklých 6 µm. Vrstva je vytvářena ze dvou obloukových katod reaktivním odpařováním Cr a AlSi v dusíku s proměnným poměrem výkonů měnícím složení povlaku v průběhu depozice. Úkolem vrstvy je poskytnout souvrství nezbytnou excelentní adhezi, otěruvzdornost a tepelnou stabilitu pro tváření za tepla a pro kování. Vrstva má kvůli své velké tloušťce a návaznosti na druhou vrstvu optimálně nastaveno zbytkové vnitřní pnutí. Její tvrdost se pohybuje okolo 40 GPa.

Navazující vrstvou je standardní frikční vrstva TiC/C deponovaná magnetronovým naprašovaním. Je tvořena souvrstvím TiN, TiCN a kluzné části s přebytkem uhlíku TiC/C v celkové tloušťce 3 µm a s maximální tvrdostí části TiCN okolo 40 GPa. Účelem vrstvy je zlepšení kluzných vlastností povlaku a eliminace nalepování tvářeného materiálu. Tuto vlastnost navzdory „papírové“ nízké tepelné odolnosti okolo 400 °C dokáže vrstva úspěšně používat i v tak extrémní aplikaci, jako je hot-forming.

Celý povlak je velmi komplexní strukturou (obr. 1) s částmi velmi rozdílných vlastností o celkové, pro PVD povlaky netypické tloušťce 9 µm, která je pro mnoho tvářecích aplikací nutnou podmínkou (detaily k vrstvě TiC/C najdete zde).

Obr. 1. Kalota a lom. (Zdroj: SHM)

Konfigurace zařízení a experiment

Vývoj probíhal na vlastním povlakovacím zařízení vycházejícím koncepčně z osvědčeného typu Platit PI411. Zařízení má vlastní software a hardwarové úpravy, které umožňují používat zařízení mnohem flexibilněji než originál. S ohledem na velikost dílů pro tváření bylo nezbytné zvolit dveřní konfiguraci katod bez možnosti použití katody centrální (obr. 2). Dveřní konfigurace sestává ze dvou obloukových katod Cr a AlSi a jedné magnetronové katody Ti doplněné rotačním stíněním vlastní konstrukce.

Obr. 2. Konfigurace povlakovacího zařízení. (Zdroj: SHM)

Experiment se zaměřil na efektivní propojení obloukové vrstvy AlCrSiN a magnetronové vrstvy TiC/C za účelem dosažení excelentní koheze vrstev. První experimenty ukázaly, že nebude možné vrstvy za sebe prostě zařadit, a tak bylo nutné poměrně zdlouhavě optimalizovat společné gradientní přechody. Obě technologie se docela zásadně liší v procesním tlaku. Typický tlak obloukového napařování je kvůli eliminaci nežádoucích makročástic 1–3 Pa. Zvláště při používání AlSi targetů je to naprosto nezbytné. Tlak magnetronového naprašování se pohybuje okolo 0,5–0,6 Pa, a to kvůli řízení stechiometrie vrstvy z důvodu hysterezního chování titanu v dusíkové atmosféře. Výsledný přechod nové vrstvy sestává ze čtyř samostatných kroků měnících složení AlCrSiN: Je to snižování tlaku, zvyšování předpětí, čištění Ti magnetronového targetu a jeho nájezd na procesní parametry do rotačního stínění. Tranzitní zóna je zřejmá na obr. 1. Problém koheze/adheze vrstev se však takto podařilo úspěšně vyřešit.

Reklama
Reklama

Použití nového rotačního stínění magnetronové katody přineslo ještě jeden kapacitní přínos, pro reálnou výrobu velmi důležitý, ale původně neplánovaný. Není nutné v meziprocesech čistit komoru a magnetronové Ti targety (obojí kontaminované uhlíkem), a tak odpadají nepříjemné komplikace spojené s depozicemi kluzných vrstev bohatých na obsah uhlíku.

Aplikace

Nový povlak byl díky neobyčejné ochotě technického personálu podstoupit výrobní rizika testován ve firmě Vollmann MetalWorx Hustopeče, zabývající se výrobou ocelových komponent rámů autosedaček. Pro testy byla zvolena operace pěchování lemů průchozích otvorů. Lisování probíhá na lisu PME 6300kN při 29 zdvizích za minutu. Je využíváno mazivo Castrol Iloform SLZ 350. Nástrojem je kalibrační postupový razník z rychlořezné oceli ČSN 19 830 kalený na 62 HRC. Polotovarem je plech S420 o tloušťce 3 mm. Trvanlivost nástroje je určena průběžnou rozměrovou kontrolou výrobků. Etalonové povlaky TiCN a AlTiN dosahují průměrné životnosti 30 tisíc kusů. Vyvinutý povlak v kombinaci s procesním leštěním dosahuje životnosti 60–80 tisíc kusů (graf 1).

Graf 1. Porovnání životnosti. (Zdroj: SHM)
Obr. 3. Nástroj a výrobek. (Zdroj: SHM)

Dalším partnerem v testování byla firma Daikin Industries Czech Republic Plzeň, která provedla tváření pozinkovaného plechu, jenž je částí klimatizace. Řešeným problémem byl vznik zinkových odrolenin, které při lisování zalepovaly nástroj a způsobovaly prolisky na výliscích. Byla nutná každodenní údržba nástroje. Jeho leštění však bylo pouze krátkodobým řešením, které problém oddálilo jen o přibližně 50 ks výlisků. Vliv standardních povlaků rovněž nebyl přesvědčivý. Kluzná, horní TiC/C část nového povlaku dokázala nalepování účinně omezit a umožnila podkladovému primárně otěruvzdornému povlaku AlCrSiN zvýšit životnost nástroje. Každodenní údržba nástroje po aplikaci povlaku ALWIN XC zcela odpadla a došlo tím k razantnímu snížení zmetkovitosti.

Obr. 4. Lisovací nástroj a detail zinkových odrolenin. (Zdroj: SHM)

Závěr

Nové spojení staronových vrstev AlCrSiN a TiC/C, povlak ALWIN XC, je velmi vítaným přírůstkem do rodiny PVD povlaků. Unikátní vlastnosti kombinované s netypickou tloušťkou 9 µm jsou schopné zvýšit životnost drahých lisovacích a tvářecích nástrojů i v těch aplikacích, ve kterých standardní PVD povlaky selhávaly. Spolu s možností renovace nástrojů s využitím odpovlakování stávajících povlaků, nitridace, leštění a následného povlakování se v oblasti tváření a lisování jedná o velmi komplexní službu.

Související články
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.

EMO zrcadlem pokroku a inovací

Při příležitosti prezentace veletrhu EMO 2017 Hannover před evropskou novinářskou obcí se uskutečnilo i pražské zastavení. Zastoupení Deutsche Messe pro ČR zorganizovalo tiskovou konferenci, které se vedle generálního ředitele EMO Hannover Christopha Millera účastnil i tiskový mluvčí hannoverského veletržního komplexu Hartwig von Sass spolu s ředitelem českého svazu SST Ing. Paclíkem a předsedou Společnosti pro obráběcí stroje doktorem Smolíkem.

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.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

Nový segmentovaný nanokompozitní povlak

Společnost SHM se věnuje vývoji nanokompozitních povlaků již od roku 1996. V letošním roce uvádí na trh nejnovější výsledek vývoje - segmentovaný nanokompozitní povlak s obchodním názvem TripleCoating SI.

Ekonomická řešení čištění - základní faktor úspěchu

Kvalitní čištění dílů je v průmyslu stále důležitější. Většina firem klade hlavní důraz na výrobu. Samozřejmě nelze přehlížet vazby mezi výrobním procesem a čištěním. Výrobce čisticích zařízení Pero AG proto svým zákazníkům nabízí vedle moderních technologií i komplexní poradenství pro ekonomiku a efektivitu čisticích procesů. Přesvědčit se o tom, a získat informace o aktuálních inovacích, mohli návštěvníci zákaznických dnů Pero 2018.

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.

Použití DLC povlaků (nejen) v automobilovém průmyslu

Povlakování v České republice zažívá v posledních letech velmi plodné období. Těchto služeb masivně využívají zejména firmy z všeobecného strojírenství a automobilového průmyslu. Stále více nachází uplatnění také u firem působících v leteckém, potravinářském, energetickém a elektrotechnickém průmyslu.

Kompozitní galvanické povlaky

Stále se zvyšující požadavky na vlastnosti povrchů urychlily vývoj slitinových povlaků kombinovaných s povlaky kompozitními, čímž se vzájemně kombinují a rozšiřují výhody a možnosti nových povlaků.

Koroze a ochrana proti korozi zásobníku na kapalná paliva

Surová ropa je směsí různých uhlovodíků, které samy nevyvolávají korozi kovů a slitin. Surová ropa obsahuje ale také vodu, některé soli (chlorid sodný, chlorid vápenatý a chlorid hořečnatý), sulfan (sirovodík) a mikroorganismy. Tyto kontaminanty jsou obsaženy v surové ropě ve velmi malých koncentracích (1-3 % hmotnostních) a působí korozí dna zásobníků, pontonů, střech a nikoliv jejich stěn.

Vyhodnocování čistoty povrchu

Možnosti kontroly čistoty povrchu z hlediska mastných a prachových nečistot se rozšířily o metodu kontinuálního skenování v reálném čase. Metoda doplňuje již existující statický způsob detekce a přináší možnost snadné a rychlé namátkové kontroly komplexních kovových výrobků a součástí. Její univerzálnost dovoluje použití přímo v provozu, není zapotřebí žádné testovací temné komory, ani laboratoře.

Nová dimenze v tryskání malých dílů

Inteligentním řešením detailů a použitím osvědčených komponent zajišťuje inovativní Multi-Tumbler Rösler dosud nikdy nedosaženou bezpečnost procesu při bubnovém tryskání dílů.

Moderní povrchové úpravy

Akciová společnost Liss byla založena a je 100% vlastněna švýcarskou skupinou B.C.I. Group. Od svého založení před více jak 22 lety se vyprofilovala na oblast inovací, zavádění nových technologií a postupů především v oblasti povrchového inženýrství a povrchových úprav. Aktivně působí nejen v oblasti aplikací a vývoje tenkých PVD povlaků. Nabízí svoje služby i v oblasti galvanických vrstev, metalizace nevodivých materiálu a depozici optických vrstev.

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