Témata
Reklama

Světová novinka v PVD povlacích

26. 04. 2010

V čísle 9 loňského ročníku jsme se zmínili o ekonomických a ekologických efektech PVD povlaků. Progresivní a stále se rozvíjející oblast povrchových úprav včetně zmíněných PVD povlaků má v České republice poměrně silné průmyslové zastoupení. Jen málokterá z komerčních firem však může prezentovat výsledky vlastního výzkumu a vývoje a navíc s parametry na úrovni světové špičky. Výjimku v oblasti PVD povlaků tvoří ryze česká společnost SHM. Ta se může pochlubit několika světovými prvenstvími a nyní může představit i zcela nové povlaky Darwin, které jsou výsledkem vlastního vývoje.

V oblasti PVD technologií jsou využívány různé principy, které jsou všechny založeny na fyzikálním principu depozice vrstev z pevných terčů (targetů) na povlakované substráty. Průmyslově jsou nejvíce využívány dvě metody - magnetronové naprašování a odpařování nízkonapěťovým obloukem.

 

Reklama
Reklama
Reklama
SEM povrchu nástroje s povlakem Darwin

O jakou novou PVD technologii jde?

Výhody a nevýhody obou zmíněných technologií byly mnohokrát diskutovány. Co je nesporné, je větší rozšíření obloukových technologií pro povlaky pro řezné nástroje a v dnešní době i významně větší podíl obloukových technologií na trhu. Přesto i magnetronové naprašování, anglicky sputtering, má své fanoušky a nepochybný vývoj vedoucí k potlačení některých nevýhod. S moderními technickými prostředky a s doprovodnými povrchovými úpravami lze využít velmi dobrých výsledků výzkumu a vývoje, které původní disproporce odstraňují. V současnosti se rozšiřuje technologie HIPIMS - High Power Impuls Magnetron Sputtering, která řeší nevýhodu nízké ionizace plazmatu. Je to určitě jedna z cest, která po dosažení vyššího stupně techniky může opět povzbudit příznivce sputteringu.

Existují ale i jiné způsoby, jak využít to nejlepší z obou technologií. Technologie odpařování nízkonapěťovým obloukem s pomocí patentově chráněných rotačních katod vyvinutá společností SHM dnes patří ve světě k nejprogresivnějším. Přesto i tady byl prostor pro další vývoj. Výsledkem je nová hybridní technologie, která je předmětem patentového řízení.

Řezná zkouška na CNC zařízení Fehlmann Picomax 60-M

Jaký je nový PVD povlak Darwin?

Je prostě úžasný. Ale vážně - jde o povlak, který kombinuje jen ty nejlepší vlastnosti, kterými se mohly chlubit povlaky již zmíněných technologií. Nový povlak má vynikající adhezi, tedy přilnavost k povrchu povlakovaného substrátu. To je základním předpokladem pro udržení povlaku na nástroji či dílci během celé jeho životnosti.

Nový povlak AlTiN má vysokou tvrdost přesahující 40 GPa. To jsou hodnoty charakteristické pro velmi tvrdé povlaky. Vysoká tvrdost zaručuje vynikající odolnost vůči abrazivnímu otěru a je vlastně nejdůležitějším důvodem pro použití otěruvzdorných povlaků. Nový povlak má také výbornou tepelnou odolnost na úrovni nejlepších povlaků AlTiN, tj. kolem 800 °C.

Pro PVD povlaky je charakteristické vyšší zbytkové napětí, které je hlavní bariérou pro možnost přípravy PVD vrstev ve větších tloušťkách - obvykle do 5 µm. Nový povlak má velmi nízké zbytkové napětí, a proto není pro něj problém tloušťka kolem 10 µm i výše. Povlak navíc velmi dobře kopíruje i ostré hrany či břity.

Nový povlak je velmi hladký a na leštěném vzorku s původní drsností Ra 0,02 µm dosahuje max. hodnot Ra 0,05 µm při běžných tloušťkách kolem 4 µm! To je výchozím předpokladem pro jeho použití tam, kde je nízká drsnost povrchu velmi žádána. Mohou to být jak řezné nástroje, tak i kluzná uložení apod.

Jaké efekty či výhody může přinést nový PVD povlak?

Nový povlak prochází fází ověřování v mnoha aplikacích u významných zákazníků a je také testován v řezných aplikacích na CNC frézce ve zkušební laboratoři společnosti SHM. Pro ilustraci uvádíme jeden příklad z průmyslového nasazení nového povlaku a jeden laboratorní.

Pokud zvážíme zmíněné výhody nového povlaku, pak jednou z prvních zajímavých aplikací může být hluboké vrtání. U hlubokého vrtání je potřeba zachovat velmi nízkou drsnost drážky pro dobrý odvod třísky. Předpokladem je samozřejmě již kvalitní výroba nástroje. Řezná zkouška proběhla v běžných provozních podmínkách přímo u konečného uživatele. Nástrojem byl monolitní tvrdokovový vrták o průměru 80 nebo 90 mm s přímou drážkou a s vnitřním chlazením. Hloubka vrtání 80-90 mm. Obráběným materiálem byla ocel DIN 1.7131. Řezné parametry: vc = 100 m.min-1, fn = 0,34 mm, tlak chladicí kapaliny 40 bar. Výsledkem bylo zvýšení životnosti nástroje téměř o 100 %. Původní nástroj byl povlakován kvalitními povlaky AlTiN obloukovou metodou.

Druhá, laboratorní zkouška měla za cíl prokázat srovnatelnost fyzikálních vlastností nového povlaku s PVD povlaky typu TiAlSiN, resp. AlTiN v reálných pracovních podmínkách. Nešlo o typickou aplikaci nového povlaku. Očekávaný přijatelný výsledek byl srovnatelný otěr se standardním povlakem. K porovnání jsme vybrali nanokompozitní povlak Marwin SI. Výsledek nás mile překvapil. Prokázalo se, že z hlediska otěruvzdornosti, adheze a tepelné odolnosti je nový povlak naprosto srovnatelný s nejlepšími PVD povlaky. To jsou velmi dobré výchozí podmínky pro další aplikace a jejich optimalizace.

Podmínky řezné zkoušky: nástroj - dvoubřitá toroidní monolitní tvrdokovová fréza o průměru 10 mm, materiál Ceratizit TSM 33. Řezná rychlost vc = 100 m.min-1, otáčky n = 3 200 min-1, posuv na zub fz = 0,04 mm, posuv f = 256 m.min-1, obráběný materiál ČSN 19 437 (DIN 1.2436, Bohler K107), kaleno v oleji 60 HRC.

Neustále na špičce světového vývoje

Nové povlaky Darwin představují světovou novinku, která navazuje na světové prvenství průmyslové přípravy nanokompozitních povlaků TiAlSiN v roce 1996, na patent chránící princip rotačních obloukových katod z roku 2000 a uvedení nanokompozitů CrAlSiN na trh v roce 2004. Uvedení tak významné novinky na trh zrovna v roce 2010 může být i výzvou pro jiné firmy, jak se vypořádat s krizí.

RNDr. Pavel Holubář,

Ing. Ondřej Zindulka,

Mojmír Jílek

SHM

//www.shm-cz.cz/

holubar@shm-cz.cz

Reklama
Související články
Společný vývoj průmyslového povlaku nové generace

Šumperská firma SHM získala vloni cenu Industrie v soutěži Česká hlava za výsledky vlastního výzkumu a vývoje v oblasti tvrdých tenkých vrstev. Těm se firma věnuje od svého vzniku před 25 lety. Současný vývojový tým vedený doktorem Vjačeslavem Sochorou spolupracuje s řadou veřejných výzkumných institucí a vysokých škol, včetně Masarykovy univerzity. S tou nyní firma pracuje na nové generaci průmyslových povlaků, které mají být nejen velmi tvrdé, ale zároveň i houževnaté.

Vysokoteplotní lubrikanty na bázi vanadu tvořené PVD procesem

Přítomnost vanadu v povlaku mění jeho vlastnosti a největší vliv má na koeficient tření, jehož snížením lze prodloužit životnost nástroje. V naší práci popisujeme, jakými jevy k tomu dochází a jak se změní chování povlaku s přítomností vanadu. Nakonec shrneme výsledky řezných zkoušek odpovídajících rychlořeznému obrábění.

Frikční nanokompozitní PVD povlak TiC/C

Společnost SHM ve spolupráci s Ústavem fyzikální elektroniky Masarykovy univerzity v Brně dokončila vývoj a testování tvrdého otěruvzdorného PVD povlaku nc-TiC/a-C:H připraveného vlastní patentovanou technologií, která kombinuje magnetronové naprašování a obloukové odpařování.

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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Tvrdé PVD povlaky se zvýšenou lomovou houževnatosti

Společnost SHM Šumperk a Laboratoř PVD technologií Masarykovy univerzity vyvíjejí v úzké spolupráci druhým rokem nový typ ochranných povlaků, které vykazují nejen vysokou tvrdost, ale i zvýšenou odolnost proti tvorbě a šíření trhlin. Mezi úkoly projektu patří experimentální příprava těchto vrstev, studium jejich vlastností, nalezení optimálních parametrů procesu a nakonec otestování u zákazníků. V tuto chvíli je projekt ve fázi přípravy a měření mechanických vlastností dvou povlaků: WBC a TaBC.

Unikátní kombinovaná technologie PVD povlakování

Bigaan je exotický název nové řady PVD povlaků firmy SHM. Povlaky s obsahem boru vznikají při souběhu dvou principiálně odlišných technologií – obloukového napařování a magnetronového naprašování. Firma dokázala využít výhod obou technologií a připravit nanokompozitní povlak na bázi AlCrBN.

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.

Nový způsob řízení magnetronové depozice otěruvzdorných povlaků

PVD technologie jsou v průmyslové oblasti poměrně dobře známé, včetně rozdílů mezi principiálně odlišnými metodami obloukového napařování a magnetronového naprašování. Některé nevýhody druhé metody lze eliminovat, případně překlopit do výhody, pokud se využijí nejnovější poznatky výzkumu a vývoje. Společnost SHM zahájila již v roce 2010 přípravu povlaků Darwin novou metodou, ktrerá vychází z vlastní patentované technologie magnetronového naprašování.

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.

VaVaI a průmysl: Mít vlastní vývoj

Mgr. Vjačeslav Sochora, Ph.D., je výzkumník tak řečeno „kovaný praxí“. Od roku 2015 pracuje na vývoji a výzkumu ve společnosti SHM, od roku 2018 jako vedoucí oddělení VaVaI. Na to, jak nejlépe propojit oblast vědy a výzkumu s oblastí průmyslu ku prospěchu obou, a zejména nás všech, jsme se proto v druhém dílu našeho seriálu zeptali právě jeho.

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.

900 000 nástrojových datových záznamů navíc

Nové rozhraní výrazně rozšiřuje datovou nabídku pro uživatele systému TDM. Ti mají nově k dispozici nástrojová data od více než 40 výrobců, tedy téměř pro každou obráběcí operaci.

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.

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