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
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
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.

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.

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.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

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.

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.

Revoluce udržitelnosti: Dekarbonizace průmyslového tepla

Je-li řeč o snížení emisí v průmyslu, pozornost se upírá hlavně k elektřině. Hlavní částí spotřeby energie ve výrobě je teplo - od ohřevu materiálu přes sušení až po výrobu páry. Jeho dekarbonizace, tedy přechod od spalování fosilních paliv k nízkoemisním nebo bezemisním zdrojům, se proto stává jedním z klíčových kroků na cestě k udržitelnému průmyslu.

Revoluce udržitelnosti: Bezuhlíková ocel je pouze zdánlivý paradox

Výroba oceli je dlouhodobě strategickým odvětvím, na němž nevyhnutelně stojí obrovská část strojírenské výroby. Jak může být ocel „bezuhlíková”, když je uhlík její nedílnou součástí? Odpovědí je změna výrobního procesu – nové technologie, které místo uhlíku využívají vodík a zelenou elektřinu, již v dnešní době přispívají k dekarbonizaci tohoto odvětví.

Výherci Zlaté medaile MSV 2024

Součástí 65. Mezinárodního strojírenského veletrhu v Brně se i letos stalo udělování cen Zlaté medaile. Tyto ceny byly předány za celkem šest veletržních exponátů, které komisi oslovily inovativním provedením, a v sedmém případě také za celoživotní přínos oboru. Tradice této soutěže sahá až do roku 1964.

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.

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