Témata
Reklama

Sputtering v oblasti moderního PVD povlakování

V současné době jsou vysoce výkonné povlaky vyráběny celou škálou metod. Proces magnetronového naprašování (sputtering) umožňuje kombinovat různé povlakovací materiály a přitom poskytuje optimální pružnost a tvrdost povlaku. Ukázal se tak velmi efektivním pro mnoho aplikací.

Podobný princip zlepšení vlastností materiálu, jaký se využívá při povlakování, byl aplikován i v minulosti. Příkladem může být použití damaškové oceli na starých zbraních, která kombinovala různé typy oceli s protichůdnými vlastnostmi a bylo tak dosaženo pevného ostří a současně pružného jádra. Stejně tak se využívá PVD povlaků k vylepšení a optimalizaci řezných nástrojů a jiných předmětů potřebných v každodenním průmyslovém procesu. Rozdíly mezi jednotlivými povlaky je možné hledat v aplikačních možnostech a v technologii, kterou byl povlak vytvořen. Potenciál magnetronového naprašování je veliký a doposud nebyl vyčerpán.

Reklama
Reklama

Od atomu k povlaku

Při sputteringu jsou částice procesního plynu, zpravidla inertního argonu, štěpeny na elektrony a ionty při kolizích s elektrony v procesu známém jako ionizace. Tím je vytvořeno plazma, které je plynnou směsí elektricky neutrálních atomů a nabitých iontů. Kladně nabité ionty argonu mohou být urychleny pomocí negativního předpětí na kovový terč, katodu. Například v případě TiAlN povlaku je terč vyroben z kombinace titanu a hliníku. Když kladně nabité ionty argonu narážejí do povrchu targetu, vyrazí z něj kovové prvky, které se později stanou součástí povlaku. Čím více iontů argonu při vyšší energii narazí do povrchu targetu, tím více je uvolněno kovových prvků z jeho povrchu.

Typy kovových terčů, ze kterých lze uvolnit Ti a Al v různém poměru v závislosti na konstrukci daného terče.

V bezprostřední blízkosti před terčem jsou některé uvolněné atomy kovů dále ionizovány kolizemi s volnými elektrony. U magnetronového naprašování jsou elektrony nuceny obíhat ve spirální dráze vytvořené permanentním magnetickým polem. Takové magnetické pole prodlouží jejich dráhu oběhu a zvýší dobu, po kterou jsou elektrony před samotným terčem. Prodloužení dráhy volných elektronů způsobuje vyšší pravděpodobnost kolizí s uvolněnými kovovými atomy a tím i zvýšení ionizace plazmatu. Zároveň je do pracovního prostoru přiveden i dusík jako reaktivní plyn a značné množství tohoto plynu je rovněž ionizováno. Kovové částice spolu s reaktivním plynem nakonec procházejí sloučením a kondenzací na substrátu za vzniku čisté homogenní vrstvy tvrdého materiálu. Vyšší ionizace má za následek zvýšení kvality aplikovaného povlaku.

Vizualizace procesu magnetronového naprašování

Sputtering – naprašování – znamená přímý přechod z pevné látky na plynnou (proces známý jako sublimace). Pomocí této metody může být téměř jakákoliv kombinace materiálů v různých poměrech uvedena do plynného stavu, takže lze vytvořit rozmanité spektrum povlaků. Existuje také velmi mnoho variant při volbě reaktivních plynů. Tím je možné vytvořit různé kombinace nitridů, oxidů, karbidů za použití reaktivních plynů jako dusíku, kyslíku nebo uhlovodíků. Jinou výhodou magnetronového naprašování je absence mikročástic, tzv. droplets. Výsledkem je hladší povlak. Použití dokonale hladkého povlaku na řezných nástrojích má za následek snížení tření a abrazivního opotřebení a zároveň snižuje dobu kontaktu třísky s povrchem nástroje. Tím se snižuje oxidační opotřebení, neboť teplo je více odváděno třískami a méně povrchem nástroje.

Energie 25 000 žárovek

Jak již bylo dříve uvedeno, vyšší ionizace znamená zvýšení kvality naneseného povlaku. HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering) proces je zásadní pro zvýšení ionizace odprašovaného materiálu a zlepšení struktury povlaku. Při použití konvenčního DC nebo pulzního sputteringu je možné zvýšit ionizaci přivedením většího množství energie na terč. To má za následek i vyšší tepelné zatížení terčů a povlakovaného substrátu, které má své limity. Pro dosažení kýženého výkonu by bylo potřeba energie až 1 MW, která by dokázala rozsvítit až 25 000 žárovek. Je zřejmé, že na takové množství energie by byla potřeba malá elektrárna a povlakovací zařízení by bylo obtížné uchladit. Proto je energie při HiPIMS procesu dodávána terčům ve velmi krátkých pulzech o velmi vysoké energii.

Závislost použité energie na čase u HiPIMS a konvenčního magnetronového naprašování.

Záporné předpětí přivedené na substrát (nástroje) má vliv na energii a směr toku pozitivně nabitých částic, které zasahují substrát. Pulzy jsou přivedeny pouze na terč. Délka pulzu je velmi krátká (řádově stovky mikrosekund), následována relativně dlouhou dobou, kdy je terč „mimo provoz“. Výsledkem je tedy průměrná energie procesu (pouze 1–10 kW) a bezproblémové uchlazení terče.

Využití magnetronového naprašování

Sputtering je využitelný v celé škále průmyslové výroby. Společnost CemeCon má s technologií magnetronového naprašování zkušenosti již více než 20 let a využívá tuto metodu pro aplikaci vysoce odolných vrstev na řezných a tvářecích nástrojích za účelem zvýšení jejich životnosti a užitných vlastností. Mimo aplikace na řezných nástrojích a komponentech je sputtering aplikován rovněž v solárních technologiích. Nové možnosti se otevírají při aplikaci tenkých vrstev za nízkých teplot v biomechanice, nanotechnologiích, výrobě paměťových médií a elektronických součástek.

CemeCon

Ing. Jakub Něnička

jakub.nenicka@cemecon.cz

www.cemecon.cz

Reklama
Vydání #5
Kód článku: 140546
Datum: 13. 05. 2014
Rubrika: Trendy / Obrábění
Autor:
Firmy
Související články
Současný vývoj v oblasti řezných nástrojů

Vývojové trendy v segmentu obráběcích řezných nástrojů jsou navázány na progresi ve strojírenské výrobě a reagují na aktuální potřeby průmyslu. Výzkum a vývoj již dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování, konstrukce moderních nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL, koncepty inovativních upínacích soustav. V současnosti jsou rozvíjeny technologie pro inteligentní výrobu s aplikací předností Průmyslu 4.0, včetně automatizace výrobního procesu, sběru dat o zařízeních, procesech a vyráběných dílcích. Na veletrhu EMO Hannover 2019 byly společnostmi představeny chytré technologie a řešení inteligentního řízení procesu obrábění. Digitalizace a konektivita jsou nyní důležitější než kdykoliv předtím.

Nástroje pro přesné a výkonné obrábění

Společnost WNT v nedávné době uvedla na trh celou řadu novinek v oblasti technologie obrábění, které mají pro své uživatele řešení pro svoji univerzálnost v použití, stabilitu procesu obrábění, ekonomičnost provozu a v neposlední řadě procesní spolehlivost.

Nový utvařeč třísek

Neustále probíhající vývoj nové technologie povlakování, známé pod obchodním označením Dragonskin, pokračuje ve společnosti WNT vytvořením nové řady vyměnitelných břitových destiček pro soustružení s inovativní geometrií utvařeče třísky -XU. Zaměřením na tvarové a všeobecné soustružení řeší tento utvařeč mnoho problémů zejména v operacích, kde je vyžadováno dokonalé utváření třísky.

Související články
Obrábění s podporou ultrazvuku

Ultrazvuk nepomáhá pouze v chirurgii. Může být výhodně použit také v obrábění. Nákladný vývoj však většinou brzdí jeho zavedení a rozšíření. Ve výzkumném ústavu Fraunhofer - IPT proto zkoumali efektivní použití a optimalizaci ultrazvukových systémů při obrábění.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Laserový měřicí systém pro seřizování nástrojů

Při frézování a vrtání nástroji velmi malých rozměrů se pro seřízení a kontrolu zlome-ní nástroje používá laserový měřicí systém. Pomocí tohoto přístroje lze vyrábět rychleji, s vyšší přesností a s vyšší spolehlivostí.

Progres v navyšování podílu na trhu

Skupina Plansee Group dosáhla v hospodářském roce 2017/18 konsolidovaného obratu 1,3 miliardy euro, což znamenalo nárůst o 11 % ve srovnání s předchozím obdobím. V rámci bilanční tiskové konference konané v Reutte o tom informovali členové představenstva Bernhard Schretter a Karlheinz Wex.

Bezdotykové orovnávání brousicích kotoučů

Exaktní orovnávání diamantových brousicích kotoučů musí zajistit jak vytvoření požadovaného tvaru, tak i optimální topografii povrchu. U mechanických technologií vznikají vždy síly mezi nástrojem a kotoučem. Bezkontaktní strategie nyní používá pro orovnávání kotoučů technologii elektroerozivního řezání drátovou elektrodou.

Povlak na bázi AlCrN zvyšuje trvanlivost fréz čtyřnásobně

Výroba součástí řídicího ústrojů automobilů klade na obrábění vysoké nároky. Při použití povlaku na bázi AlCrN u válcových fréz a protahováků se dosáhlo dvou- až čtyřnásobné zvýšení trvanlivosti břitu. Čímž se rovněž zkrátily časy na výměnu nástrojů.

Povlak DLC zvyšuje trvanlivost závitníků

Pro závitníky na řezání závitů do titanu byl vyvinut nový povlak CrTiN s horní vrstvou DLC. Ve srovnání se závitníky z HSS s povlakem TiCN je možné s nimi pracovat s dvojnásobnou řeznou rychlostí při dvojnásobné trvanlivost.

EMO Hannover 2013: část 8 - upínání obrobků

V tomto vydání se již naposledy v ucelené monotematické retrospektivě poohlédneme po loňském veletrhu obráběcí techniky EMO Hannover. Autor tohoto příspěvku se zaměřil na problematiku upínání obrobků. A co nového v této oblasti firmy nabízejí? Čtěte dále.

Soustružení abrazivním kapalinovým paprskem zvyšuje trvanlivost

Soustružení abrazivním vodním paprskem je technologie, která spojuje kinematiku konvenčního soustružení s abrazivním vodním paprskem jako nástrojem. Toto spojení je výhodné zejména při obrábění těžkoobrobitelných materiálů, např. titanových slitin, kde nahrazuje hrubování konvenčním soustružením řezným nástrojem.

Cermety s vysokou tuhostí

Vysoký výkon při soustružení uhlíkových a slitinových ocelí přináší nově vyvinuté cermetové materiály společnosti Tungaloy Corporation.

Sedm celoživotních návyků

Ve věku, kdy se většina lidí spokojeně těší do důchodu, podnikatel z americké Indiany, Don Wood, založil firmu, která se ukázala být jeho největším celoživotním úspěchem. Růst firmy s názvem 80/20 je záviděníhodný a vznikl díky perfektním organizačním dovednostem a energii vložené zakladatelem firmy. Jeho recept na úspěch přesto není přísně střeženým tajemstvím.

Aditivní výroba unikátních řezných nástrojů

Aditivní technologie jsou jedním z nosných pilířů Průmyslu 4.0. Od roku 2014, kdy v ČR 3D tisk kovů odstartoval „ve velkém“, byla o této problematice napsána celá řada publikací, díky nimž je tato technologie považována za poměrně známou. Jedním z průkopníků 3D tisku v ČR je firma Innomia, která přinášela informace o technologii DMLS do povědomí českého průmyslu již několik let před tímto zmiňovaných boomem.

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