Témata
Reklama

PVD povlak CrNx – když tloušťka není na závadu

Společnost SHM dokončila vývoj a testování PVD povlaku založeného na nestechiometrickém CrN s neobvyklou tloušťkou nad 20 µm, výbornou drsností a rychlostí růstu. Povlak je připraven vlastní patentovanou technologií, která kombinuje magnetronové naprašování a obloukové napařování. Je určen nejenom pro tvářecí nástroje, ale směřuje i do oblasti komponentů

Tloušťka standardních PVD povlaků je dána několika limitujícími faktory. Většina povlaků má velmi vysoké zbytkové vnitřní pnutí na úrovni –1 až –4 GPa. Adheze je zpravidla nevýhodnější než u difuzně propojených rozhraní CVD povlaků. Vysoké pnutí představuje pro adhezi mnohdy větší mechanickou zátěž, než je zátěž generovaná v průběhu nasazení povlaků. Poslední významné omezení je ekonomické. Praktické rychlosti růstu v komerčních zařízeních nepřevyšují 1–2 µm za hodinu.

Reklama
Reklama
Reklama
Obr. 1. Konfigurace targetů povlakovacího zařízení: a) Pi 411, b) Orm


Kombinace těchto aspektů limituje ve výsledku tloušťky standardních PVD povlaků od 1 do zhruba 6 µm. Komerční nasazení tlustých povlaků s tloušťkou nad 20 µm znamená mimo jiné nutnost uspokojivě vyřešit výše zmíněné problémy.

Experiment

Povlak CrNx byl vyvíjen na průmyslovém povlakovacím zařízení Pi411 a upgradovaném povlakovacím zařízení Orm vlastní konstrukce. Povlak je připravován technologií magnetronového naprašování a nízkonapěťového oblouku v konfiguraci podle obr. 1 z centrální magnetronové katody a obloukových katod Cr (na pozici 1 a 3) pro zařízení Pi411 a v konfiguraci centrální magnetronové a obloukové katody pro zařízení Orm.

Tvrdost, rychlost růstu

Vývoj povlaku se zaměřil na optimalizaci tvrdosti, rychlosti růstu a řízení struktury. V grafech 1 a 2 je uveden průběh tvrdosti a rychlosti růstu v závislosti na kalkulovaném obsahu dusíku vůči stechiometrickému složení (odpovídá 100 %). Optimální bod odpovídá přibližně 50% obsahu dusíku. Kombinuje velmi vysokou rychlost růstu zhruba 5x až 10x vyšší než rychlost růstu standardních PVD povlaků s vysokou tvrdostí a z pohledu industrializace povlaku je naprosto klíčový.

Trend rychlostí růstu i tvrdostí povlaku je velmi podobný na obou zařízeních a vychází z režimů magnetronového odprašování v různých oblastech. Jedná se o podstechiometrickou oblast s vysokou rychlostí růstu a velkou změnou tvrdosti. Druhá dusíkem přesycená oblast je typická ustálenými hodnotami tvrdosti a náhlým poklesem rychlosti růstu způsobeným skokovou změnou koeficientu odprašování CrN.

Technologie umožňuje připravit povlak CrN v širokém spektru tvrdostí s různou rychlostí růstu a nabízí potenciál dalších zákaznických modifikací.


Graf 1. Závislost tvrdosti a rychlosti růstu CrN; povlakovací zařízení Pi411
Pro zvětšení klikněte na graf.

Graf 2. Závislost tvrdosti a rychlosti růstu CrN; povlakovací zařízení Orm

Adheze

Standardní metody hodnocení adheze používané pro klasické PVD povlaky v případě tlustých povlaků selhávají. Mercedes test (Rockwell indentace) není schopen rozlišit nevyhovující adhezi (porušení na obr. 2 je spojeno s kohezními problémy vývojové verze, nikoliv s adhezí), scratch test není relevantní, protože přibližná hloubka vrypu je při 90N zátěži okolo 5 µm a prakticky nedojde k zatížení rozhraní povlak/substrát (obr. 3). Lom pro kontrolu adheze je velmi komplexní mechanismus pravděpodobně ovlivněný množstvím náhodných proměnných (obr. 5).

Navzdory laboratorní nejistotě je povlak CrN známý pro svou schopnost zajistit výbornou adhezi a také tloušťka povlaku okolo 30 µm, nevykazující žádné vady adheze, tuto schopnost prakticky potvrzuje.

Obr. 2. SEM-BSE Rockwell vpichů povlaku: a) s dobrou kohezí, b) s nevyhovující kohezí (černé oblasti jsou kontaminace)

Vnitřní pnutí

Zbytkové vnitřní pnutí bylo změřeno a dopočítáno z průhybu jednostranně povlakovaného molybdenového pásku a rentgenovou difrakcí v konfiguraci Bragg-Brentano. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 1. V souladu s očekáváním žádná hodnota nepřekročila 0,5 GPa. Charakter pnutí se dokonce mění z kompresivního pro podsycené povlaky na tenzilní pro stechiometrické a přesycené. Změna pnutí pravděpodobně úzce souvisí se změnou vnitřní struktury povlaku a odpovídá zóně T v zónovém diagramu na obr. 4. Souhlas výsledků obou metod je i navzdory velmi malým hodnotám výborný. Potvrdil vhodnost provozně jednoduché metody měření průhybu na molybdenovém pásku.

Struktura

Vzhledem k velké tloušťce povlaků je otázka řízení struktury mnohem důležitější. Povlaky mají více „prostoru“ rozvinout svoje přirozené uspořádání, které má pak větší vliv na jejich vlastnosti. I CrNx je možno řízeně připravit v obou základních „dense/glassy“ a „columnar“ strukturách (obr. 5). Na obr. 4 je znázorněn převzatý obecný diagram možných struktur PVD povlaků v závislosti na efektivní depoziční teplotě T* a efektivní energii E*. Jednotlivé zóny jsou platné i pro povlak CrNx. Procesními parametry lze strukturu CrNx řídit v zónách T a 2.

Obr. 3. Scratch povlakem CrNx s detailem vrypu s největší zátěží – Alicona

Izotropní velmi husté a bezdefektní uspořádání zóny T je velmi vhodné například pro korozivzdorné aplikace, teplotní bariéry apod. Orientovaná sloupcovitá struktura zóny 2 s otevřenými rozhraními je atraktivní pro tvářecí a frikční aplikace s možností řízení retence maziv.

Architektura, složení

Finální architektura standardního povlaku je složená z vrstev různých vlastností, připravovaných již popsanou řízenou stechiometrií magnetronového naprašování (obr. 6). Začíná adhezním CrN deponovaným souběhem oblouku a magnetronu. Jádro s tloušťkou 15 µm tvoří monovrstva nebo multivrstva kombinující části s přibližně 30% a 70% obsahem dusíku a tvrdostí nad 24 GPa. Závěrečná vrstva je monovrstvou o tloušťce 5 µm s výrazně vyvinutou kolumnární strukturou a sníženou tvrdostí okolo 10–12 GPa. Standardní celková tloušťka povlaku je 20 µm, u zákaznických verzí se mohou tloušťky povlaku pohybovat od 5 do 30 µm.

Obr. 5. SEM lomů: a) vrstva zóny 2, b) finální verze povlaku kombinující strukturu obou zón

Obr. 6. Kalota CrNx: a) měkká, vysoce kolumnární struktura; b) multivrstevnatá kolumnární struktura s proměnným obsahem dusíku; c) adhezní vrstva; d) substrát

Závěr

Povlak CrNx byl vyvinut ve spolupráci s firmou Buzuluk Komárov pro pístní kroužky automobilů. Svými vlastnostmi je však předurčen i pro jiné aplikace. Dominantní oblastí je náhrada tvrdochromu, dále tvářecí nástroje a formy a v neposlední řadě například korozní ochrana komponentů nebo frikční aplikace využívající řízenou retenci maziv ve struktuře povlaku. V současnosti probíhá závěrečné provozní ověření u zákazníků. Stávající nabídka PVD povlaků SHM bude rozšířena o povlak CrNx během 2. pololetí 2016.

SHM

Ondřej Zindulka, Vjačeslav Sochora

zindulka@shm-cz.cz

www.shm-cz.cz

Reklama
Související články
Lehké konstrukce automobilů - Specifické povlaky hlubokotažných ocelí

Na konstrukční materiály používané při stavbě automobilové karoserie jsou kladeny mimořádné požadavky. Specifické podmínky musejí splnit zejména vnější povrchové díly karoserie, které jsou nositeli designu vozu a které tím i do značné míry rozhodují o prodejnosti a úspěšnosti daného modelu. Kromě základních mechanických podmínek musejí povrchové díly splnit perfektní lakovatelnost, mimořádnou korozní odolnost, ale také musejí mít schopnost bezproblémového zpracování – ať už lisováním, nebo rozmanitými technologiemi spojování, jako je laserové pájení a lepení.

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.

Související články
Téma: technologie pro výrobu forem

Díly, součásti či výrobky, které spatřily světlo světa díky tomu, že byly vylisovány, odlity či vykovány ve formě, jsou doslova všude kolem nás. Forma je zařízení často velmi složité a komplexní a k její výrobě je potřeba řada špičkových technologií. Následující článek představuje některé z nich.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Prostor pro laserovou automatizace je stále obrovský

Česká společnost Lascam systems se zabývá zejména dodávkami laserových zařízení pro obrábění kovů a plastů. Byla včas u rozvoje moderních laserových technologií a dnes pomáhá firmám s integrací laserových aplikací do výrobních procesů. Podle slov obchodního ředitele společnosti Karola Flimela se považují spíše za dodavatele řešení než distributora jednotlivých zařízení a za největší výzvu považují složité inovativní projekty, které přinášejí nový způsob výroby.

Laserová i optická řešení a mnohem více

Pravidelné podzimní dny otevřených dveří uspořádala pro své současné i potenciální zákazníky koncem září společnost Lascam systems. Po tři dny mohli zájemci o laserové technologie navštěvovat showroom dceřiné společnosti Elya Solutions v Horních Počernicích, kde bylo v provozu více než sedm různých aplikací dceřiných i zastupujících společností. Jednotlivá stanoviště prezentovala široké portfolio aplikací a služeb, jež integrátorská společnost Lascam nabízí.

Plnění požadavků na čistotu ve výrobě

Firma Rosler vyvinula pro výrobce systémů škrticích a výfukových klapek kompletní systém automatizovaného obrábění. Tento systém pokrývá operace od převzetí obrobku po třískovém obrábění přes proces surf finishingu a jemného čištění, nanesení kódu datové matice až po zabalení dílů do KLT obalů a jejich přesun do stohovacích kontejnerů.

Moderní způsoby ochrany vysokopevných ocelí

V posledních letech je v automobilovém průmyslu kladen stále větší důraz na snižování hmotnosti vozu, potažmo spotřeby a z ní plynoucích emisí, za současného zvýšení bezpečnosti posádky. Jednou z možností, jak splnit tyto požadavky, je nahrazení starých materiálů používaných pro výrobu určitých komponentů za nové, pevnější. Díl z pevnějšího materiálu může být tenčí a potažmo i lehčí oproti dílu původnímu, ale současně je schopen vydržet stejné, nebo i větší namáhání.

Technologie přesného střihu

Výrobou přesných dílců technologií přesného střihu se zabývá zlínská společnost ANC Components. V současnosti disponuje zařízeními poskytujícími maximální lisovací sílu 4000 kN (? 400 t). Problematika přesného střihu se neustále rozvíjí. Proto v rámci čtyřletého dotovaného projektu Eureka společnosti ANC Components a Comtes FHT řeší zefektivnění a zproduktivnění výrobního procesu spojením zkušeností praxe a výzkumných prostředků. Řešení projektu bylo již dříve prezentováno ve vydání MM 10/2012 a dále v Hutnických listech č. 4/2013.

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.

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.

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.

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.

Nanokompozitní supertvrdé povlaky

Supertvrdé povlaky jsou dnes běžně používané na celou řadu aplikací. Nejvíce se však aplikují na řezné obráběcí nástroje a vyměnitelné břitové destičky, a to z důvodu zvýšení jejich životnosti při obrábění i velmi tvrdých materiálů. Prof. Dr. Stanislav Vepřek, rodák z Písku, se již od roku 1963 velmi významně podílel na vývoji depozice tenkých filmů pomocí CVD technologie (Chemical Vapour Deposition). V roce 1995 byl u zrodu principu koncepce supertvrdých nanokompozitních materiálů na Technické univerzitě v Mnichově. Publikoval 398 odborných prací, obdržel mnoho významných ocenění a dodnes přednáší na univerzitách v mnoha zemích po celém světě. V oborech materiálů a povrchů je tedy světovou špičkou a MM Průmyslové spektrum vám s ním přináší rozhovor.

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