Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Současnost a trendy povlakování technologií PVD
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Současnost a trendy povlakování technologií PVD

Známá technologie vytváření vrstev PVD (Physical Vapour Deposition) je založena na odpaření nebo odprášení pevné látky v řízené atmosféře. Podmínky vzniku a vlastností vytvořených vrstev jsou velmi rozmanité, proto se budeme věnovat pouze oblastem jejich nejčastějšího využití. Povlaky vznikají při tlaku mezi 0,1 - 1 Pa ve vakuové komoře, do níž je vpouštěn pracovní plyn, např. argon nebo dusík. Podle způsobu získání kovových iontů rozlišujeme metodu odpaření nízkonapěťovým obloukovým výbojem (obloukové odpařování) nebo metodu odprášení ionty (magnetronové naprašování). Jako praktický příklad zde bude uveden postup povlakování stopkových řezných nástrojů z rychlořezné oceli

Vznik povlakového systému

Ve fázi přípravy je třeba nejprve provést dokonalé očištění a odmaštění povrchu nástroje. K odmašťování používáme mírně alkalické vodné roztoky tenzidů, ultrazvukové lázně a vodné oplachy. Sušíme proudem teplého vzduchu nebo nahříváme v sušičkách, v závislosti na možnostech výroby. Druhá část přípravy povrchu probíhá již ve vakuové komoře, kde se nejprve odčerpávají povrchově vázané plyny a následně se proudem iontů plynu nebo kovu odstraní několik nanometrů povrchové vrstvy. Zároveň se nástroje ohřívají. Přípravná fáze končí dosažením maximální možné kovové čistoty povrchu nástrojů a jejich zahřátím na požadovanou teplotu. Teplota vhodná pro povlakování se může měnit v závislosti na vlastnostech povlakovaných předmětů a druhu povlaku od 30 do 500 °C.
Tvorba vrstvy samotné je dána možnostmi povlakovacího zařízení a zkušeností obsluhy. Kotvení vrstvy může probíhat částečnou modifikací povrchu implantací částic nebo tvorbou mezivrstvy zvyšující adhezi vrstvy k nástroji. Právě tato adheze je základním parametrem celého procesu PVD povlakování a z tohoto hlediska je vhodnější princip obloukového odpařování. Využívá skutečnosti, že obloukový výboj za nízkého tlaku hoří na katodě pouze v náhodně proměnlivém bodě, vysokou teplotou odpařuje materiál katody, přičemž převážná část je ionizována. Pohyb katodové skvrny lze do jisté míry řídit magnetickým polem. Princip magnetronového odprašování je složitější v tom, že je nejprve potřeba ionizovat pomocný inertní plyn, např. argon, a pomocí urychlení těchto iontů bombardovat katodový terč a tak odprášit požadované částice.
V případě obloukového odpařování jsou odpařené částice, převážně kladné ionty, urychlovány záporným předpětím na planetový stolek s vhodně rozmístěnými nástroji. V této fázi mají ionty kvazikapalný charakter a po povrchu nástrojů se pohybují, spojují a postupně vytvářejí vrstvu po celém povrchu. Pohyb částic po povrchu nástrojů je žádoucí z hlediska rovnoměrnosti vrstvy. Je ovlivňován teplotou povrchu a energií částic. Po zakotvení probíhá růst vrstvy dle požadavků na výsledné vlastnosti - jedno- nebo vícevrstevné povlaky s jednoduchou či gradientní strukturou, různé tloušťky apod.
Závěr povlakovacího procesu spočívá ve zchlazení povlakovaných nástrojů pod teplotu oxidace oceli, tedy pod 200 °C a vyjmutí z komory. Nyní opustíme náš příklad a budeme se věnovat obecným vlastnostem vytvořených vrstev.

Vlastnosti vrstev

PVD povlaky jsou charakterizovány mnoha fyzikálními i chemickými veličinami:
  • otěruvzdornost - např. u řezných nástrojů s výhodou využívaná vlastnost, prodlužující i několikanásobně jejich životnost;
  • tepelná odolnost - povlaky odolávají teplotám až 800 °C (povlaky na bázi Cr a Al) a zároveň tvoří tepelnou bariéru. Této vlastnosti se využívá při vysokorychlostním obrábění, kde 78 % tepla vznikajícího při řezu je odváděno třískou;
  • korozivzdornost - ochrana, kterou poskytují, závisí na mikropórovitosti a schopnosti některých prvků obsažených ve vrstvě se pasivovat, zde lze zmínit povlaky obsahující hliník, např. TiAlN a uhlíkové povlaky. Povlaky samy korozi odolávají;
  • snížení třecího odporu - nízký koeficient tření mají např. MoS2, WC/C a DLC (Diamond Like Carbon);
  • adheze - nejjednodušším měřením bývá pozorování okrajů vpichu vzniklého Rockwellovým hrotem;
  • tloušťka - nejčastěji je měřena pomocí kalotestu (probroušení kulového vrchlíku a následný odečet optickým mikroskopem), zpravidla se pohybuje v rozmezí 1 - 4 ?m;
  • mikrotvrdost - k nejtvrdším patří DLC povlaky, jejichž mikrotvrdost přesahuje 30 GPa. Pro srovnání např. u galvanicky připraveného "tvrdochromu" lze naměřit max. 9 GPa.
  • Pro účely výzkumu a při podrobnějším zkoumání se zjišťují ještě další charakteristiky, jako modul pružnosti, zátěžové křivky mikrotvrdosti, vnitřní pnutí, stechiometrie apod.

    Uplatnění vrstev

    Jako funkční vrstvy se PVD povlaky používají nejčastěji jako tepelné bariéry na řezných nástrojích, kde prodlužují životnost a umožňují obrábět houževnaté a tvrdé materiály. Povlakují se též strojní díly, u nichž je třeba zvýšit otěruvzdornost a snížit tření a úspěšně jimi lze také chránit vstřikovací formy proti abrazi a korozi. Díky tomu, že tvoří účinnou a barevně stálou ochranu, se hodí i na dekorativní vrstvy, např. dveřního a nábytkového kování, bižuterie, porcelánu. Povlaky se ale využívají i v medicíně na kloubní náhrady, zubní protézy apod.
    V současné době se lze na trhu setkat s velkým množstvím různých povlaků. S jistou mírou abstrakce lze PVD povlaky rozdělit na běžné, ještě užívané a nové. Zde je nutno podotknout, že následující řádky se opírají především o zkušenosti společnosti PVD Pro, s. r. o.

    Běžně užívané povlaky

    TiN (nitrid titanu) - základní a nejdéle používaná vrstva. Mikrotvrdost od 20 do 25 GPa, barva zlatá. Je použitelný téměř ve všech aplikacích. Pokud uživatel není schopen přesněji popsat, proti jakým procesům hodlá tenké PVD vrstvy nasadit, i z ekonomických důvodů to bývá právě tento povlak, z něhož se vychází. Po pozorování způsobu opotřebení je možné pokročit k volbě vhodnějšího povlaku. Výhodou TiN je dobrá elasticita a adheze. Navíc většina povlakovacích středisek má právě s touto vrstvou největší zkušenosti.
    TiAlN (titan aluminium nitrid) - mikrotvrdost 25 až 33 GPa, barva od růžovofialové po černošedou. V oblasti řezných nástrojů stále zvyšuje podíl na trhu na úkor ostatních vrstev, především TiN, i přes vyšší výrobní náklady. Má výbornou odolnost vůči vysokým teplotám. V současné době ideální pro vysokorychlostní obrábění. Jeho zajímavou vlastností je vytváření povrchové vrstvy Al2O3, jež při řezu přispívá ke snížení tření, zvýšení difúzní odolnosti a zlepšení řezných vlastností.
    DLC - diamantu podobné uhlíkové povlaky s velmi nízkým koeficientem tření a vysokou tvrdostí (do 60 GPa), barva černá. Používají se především v automobilovém průmyslu na povlakování dílů (čerpadla, zámky apod.) Nevhodné jsou na nástroje obrábějící ocel.

    Dosud užívané vrstvy

    Kromě tradičních produktů některých výrobců (např. TiAlSiN) do této skupiny patří vrstvy pro úzce specifikované aplikace.
    TiCN (titan carbonitrid) - mikrotvrdost 30 až 40 GPa, barva hnědočerná. Kvůli problematickému dosahování rovnoměrnosti, a to i u vakuových zařízení řízených počítači, stejně tak jako údržbě komory po provedení procesu, ustupuje tento povlak do pozadí zájmu. Dnes jej nahrazují především povlaky na bázi TiAlN v oblasti řezných nástrojů a zdokonalený TiN v oblasti např. tažných nástrojů. Svoje využití si ale stále drží v oblasti dekorativních povlaků, kde je jeho hnědá až bronzová barva vyhledávaná.
    ZrN (zirkon nitrid) - vlastnosti shodné s TiN, ovšem mnohem dražší. Užívá se především v medicíně pro svoji biokompatibilitu a v při dekorativním povlakování, kde jeho barva je téměř nerozeznatelná od zlata (TiN připomíná spíše mosaz).
    Me:C-H - karbidové povlaky (Me: volitelný kov), černé barvy, s tvrdostí okolo 14 GPa, užívané především jako kluzné povlaky. Jsou levnější než DLC a nabízejí se především jako vrchní mazná vrstva na tvrdém, otěruvzdorném povlaku. Podobné vlastnosti a užití jako Me:C-H má MoS2 (molybden disulfid).

    Trendy

    Dnes zaznamenáváme čtyři hlavní směry vývoje PVD aplikací - kombinace vrstev, zjemňování jejich struktury, zdokonalování vlastností dotováním prvků a nové vrstvy.
    Cílem je zvýraznění užitných vlastností, především zvýšení schopnosti korozní ochrany.
    V současnosti již známým trendem kombinace vrstev jsou tzv. multivrstvy, kde se střídají alespoň dva druhy vrstev. Stále sice platí, že jejich tloušťka zpravidla nepřesahuje 4 ?m, ale vlastnosti mění rapidně ve prospěch vyšší tvrdosti i houževnatosti. Zvláštním druhem multivrstev jsou tzv. supermřížky s tloušťkou jedné vrstvy řádově několik nanometrů, kde se zlepšují mezivrstevné vazby a výsledná kvalita povlaku.
    Zjemňováním struktury vrstev pomocí ovlivňování velikosti zrn je možné dosáhnout výrazně lepších bariérových efektů PVD povlakových systémů. Tento trend lze pozorovat především u vrstev TiAlN a DLC. Způsoby jsou různé, chemickými vazbami počínaje a poměrem či složením prvků konče. Určujícím faktorem jsou zde zkušenosti týmu i finanční možnosti zadavatele. Poslední výzkumy ukazují, že například schopnost poskytovat korozní ochranu je možné výrazněji ovlivňovat dotací vazeb či struktur dalšími prvky, např. Hf, V či Y.
    A konečně vytváření nových druhů povlaků zahrnuje pokusy připravit technologií PVD vrstvy, jež v současné době lze připravovat pouze metodami CVD (Chemical Vapour Deposition - příprava vrstev z plynů za vysokých teplot okolo 1100 °C). Takové vrstvy, jako BN či Al2O3, připravené metodou PVD, tedy za teplot, při kterých nedochází k ovlivnění základního materiálu - především rychlořezných ocelí -, nebo oduhličením povrchových vrstev slinutých karbidů, by znamenaly vysoký nárůst životnosti řezných nástrojů. Do oblasti výzkumu nových vrstev lze stále ještě zařadit velmi tvrdé vrstvy DLC, jejichž vlastnosti a možnosti přípravy zdaleka nejsou ještě prozkoumány a slibují široké možnosti uplatnění ve všech oblastech užití PVD povlaků.
    Jak je vidět, vývoj tenkých otěruvzdorných PVD povlaků se právě nachází v etapě, kdy se již staly neoddělitelnou součástí praxe, především v oblasti strojírenství, zároveň ale stále ještě překvapují výzkumné pracovníky novými vlastnostmi a možnostmi uplatnění. Článek čerpá ze zkušeností společnosti PVD Pro, s. r. o., Kopidlno.

    Další články

    Hutnictví/ Slévarenství

    Komentáře

    Nebyly nalezeny žádné příspěvky

    Sledujte nás na sociálních sítích: