Témata
Reklama

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.

Patentované technologie souběhu magnetronového naprašování a nízkonapěťového odpařování v kombinaci se segmentovou magnetronovou katodou stojí za zcela novým systémem, který se zmíněnými standardními povlaky má společného jen velmi málo a v mnoha aplikacích je zásadním způsobem překonává.

Obr. 1. Patentovaná segmentová katoda. (Zdroj: SHM)

Patentované technologie

Příprava nového systému je zcela podmíněna možností efektivně nanášet z pohledu PVD technologií komplikované materiály s nízkou elektrickou a popřípadě tepelnou vodivostí. Problém se podařilo vyřešit pomocí segmentových válcových katod. Nanášené materiály jsou vyrobeny ve tvaru kroužků. Kroužky jsou na katodě fixovány pomocí tenkostěnné měděné fólie, která je tlakem chladicí vody zevnitř dotlačena plošně na vnitřní stranu kroužků. Tímto způsobem je zajištěn dokonalý elektrický a tepelný kontakt. Popsané řešení je patentované a umožňuje použití mimořádných depozičních výkonů v řádech až desítek kilowattů, které jsou pro průmyslovou přípravu nového systému povlaků naprosto nezbytné.

Graf 1. Vtisková mikrotvrdost. (Zdroj: SHM)


Systém používá i druhé technologické eso v rukávu: opět patentovaný souběh magnetronového naprašování a nízkonapěťového odpařování. V tomto případě se oblouk nepodílí přímo na přípravě vrstvy, ale je zdrojem dodatkové energie ovlivňujícím strukturu vrstvy. Vrstva tak není kontaminována makročásticemi spojenými s depozicí pomocí nízkonapěťového oblouku.

Reklama
Reklama

Mechanické vlastnosti

Ve spolupráci se Společnou laboratoří optiky Univerzity Palackého a Fyzikálního ústavu AV ČR byly pomocí pokročilých nanomechanických technik porovnány mechanické vlastnosti nového povlaku s vrstvami připravenými různými technologiemi. Do výběru byly zařazeny PVD standardy dle tabulky 1: obloukový AlCrN, magnetronový AlTiN a dvě verze nového povlaku.

Tab. 1. Přehled analyzovaných povlaků

Tvrdost

Tvrdost standardních povlaků koreluje s jejich otěruvzdorností. Vyšší hodnoty jsou příznivější. V grafu 1 jsou uvedeny hodnoty vtiskové tvrdosti jednotlivých verzí měřených s využitím Berkovičova hrotu při zátěži 70 mN. Nový systém je výrazně měkčí než standardní obloukové verze. Podle hodnot tvrdosti by měl být nejhorší i v následujících otěrových a zátěžových testech.

Dynamický impakt test

Dynamický impakt test je velmi sofistikovaná metoda komplexního testování povlaků. Lze z ní usuzovat na odolnost proti dynamickému nárazu, opotřebení či únavě nebo dynamickou tvrdost. Impakt test umožňuje také simulovat podmínky přerušovaného namáhání (analogie přerušovaného rázu při frézování).
Při zkoušce je diamantový hrot cyklicky akcelerován konstantní silou 100 mN ze vzdálenosti 15 μm nad povrchem vzorku. Síla je vždy aplikována po dobu 2 s, následně je hrot odlehčen opět po dobu 2 s. Cyklus je opakován celkem 75krát a výsledkem je porovnání charakteristických hloubek vtisků: počáteční hloubky statického kontaktu, hloubek prvního a posledního cyklu. Z porovnání vzájemných hodnot lze usuzovat na cyklickou elasticko-plastickou odezvu povlaků na dynamické namáhání.

Hloubka statického kontaktu odpovídá tvrdosti a čím je větší, tím má povlak menší tvrdost. Trend hodnot je skutečně v dobrém souladu s hodnotami tvrdostí z grafu 1. Hloubky prvního a posledního cyklu pak naznačují míru postupného poškozování. Důležitá je změna prvního cyklu oproti statickému vtisku a následně hloubka konečného cyklu vůči prvnímu. Menší změny naznačují mechanicky odolnější povlak.

A výsledky jsou velmi překvapivé. Nový povlak navzdory menší tvrdosti, a tedy hlubšímu statickému vtisku vykazuje prakticky stejnou hloubku při prvním impaktu jako mnohem tvrdší obloukové a magnetronové verze. Ale verze II navíc jako jediná odolává cyklování bez náznaku únavy. Jedná se o velmi unikátní výsledek, kdy se hloubka vtisku na konci cyklování prakticky vůbec nemění.

Graf 2. Hloubky vtisků při impakt testu. (Zdroj: SHM)

Vrypové zkoušky

Použitá zkouška je složitější verzí principu známého scratch testu pro vyhodnocování adheze. Základem je rovněž vryp diamantovým hrotem při vzrůstající síle, ale na rozdíl od měření adheze se používají menší maximální síly a vícenásobné přejezdy vrypovou stopou. Kombinují se zátěžové vrypy generující vrypovou dráhu s topografickými přejezdy mapujícími hloubky a profily vrypů. Konečná podoba testu je nastavována pro konkrétní případ a pro porovnání povlaků byla zvolena v provedení 10 zátěžových vrypů s max. silou 500 mN a 5 topografických přejezdů.

Graf 3. Hloubky vrypů při scratch testu. (Zdroj: SHM)


Výsledky dokumentují odolnost vrstev proti otěru a vrypovému poškození. Oprávněně lze předpokládat vyšší odolnost pro vrstvy s vyšší tvrdostí. Ale podobně jako v případě impakt testů výsledky překvapily i tentokrát. Výrazně měkčí SIGAAN vykazuje opět mnohem lepší otěruvzdornost než ostatní verze povlaků. Už od prvního zátěžového cyklu jsou hloubky vrypů nejmenší a v čase se zvětšují rovněž nejpomaleji. Chování nového povlaku je velmi podobné výsledkům předchozí zkoušky.

Obr. 2. Umístění jader ve formách. (Zdroj: Škoda Auto)
Obr. 2. Umístění jader ve formách. (Zdroj: Škoda Auto)

Aplikace – tlakové lití hliníku

A to nejlepší na konec. V rámci téměř dva roky trvajícího projektu s Petrem Bahníkem z nářaďovny Škody Auto byla vyvinuta a otestována verze pro tlakové lití hliníku.
Nectností technologie tlakového lití je mimo jiné nežádoucí ulpívání/nalepování hliníkové taveniny na formy a jejich části. Zalepené komponenty je nutné mezi jednotlivými cykly mechanicky čistit. V opačném případě dochází ke zhoršení kvality povrchů odlitků a může dojít až k destrukci formy či jejích částí. Se vzrůstající teplotou dílů vlivem neefektivního, popřípadě nemožného chlazení se intenzita nalepování zvyšuje. Odsud vyplynulo velmi konkrétní zadání pro nový povlak – vytvořit pro hliník nesmáčivou bariéru odolávající vysokoteplotnímu cyklickému namáhání v kombinaci s mechanickým otěrem při vstřiku a otevírání formy.

Graf 4. Intervaly čištění podle povrchových úprav. (Zdroj: SHM)


Petr Bahník vytipoval pro účely prvotního testování výrobně jednoduchá, ale z pohledu nalepování problematická jádra. Byl sledován počet cyklů/odlitků do nutné údržby a celková životnost povrchové úpravy ve dvou licích formách.

Porovnání výsledků tří verzí úprav je patrné z obr. 3 a z grafu 4. Povlak CrAlVN je speciálně vyvinutý povlak pro tlakové lití hliníku s funkcí teplotou indukovaného vzniku Magnéliho fází vanadu, které působí jako vysokoteplotní lubrikant. SIGAAN AL v průběhu celého testu eliminoval (na rozdíl od ostatních úprav) nutnost průběžného čištění. Jeho životnost je pak přibližně třikrát větší než u jader bez úpravy nebo s povlakem CrAlVN.

Obr. 3. Porovnání stavu: a) nepovlakovaného jádra po 2 500 ks, b) povlakovaného po 10 000 ks zhotovených odlitků. (Zdroj: Škoda Auto)



Výsledek testu komentuje Petr Bahník následovně: „Jak už bylo řečeno, naše spolupráce s kolegy ze SHM je skutečně dlouhá a nejedná se o první projekt, na kterém jsme společně pracovali. Pro mě osobně znamenají zkoušky něčeho nového vždy velkou výzvu. Člověk se znovu těší na nové zkušenosti, ať už jsou pozitivní, nebo ne. V tomto případě jsme vlastně celkem náhodou objevili, že právě povlak SIGAAN bude vhodný pro tlakové lití hliníku. Pokaždé, když se s kolegy ze SHM setkám, neodpustím si otázku, co je nového a na čem právě pracují. Nejinak to bylo i v tomto případě. Chlapi se pochlubili s pokusem nanést povlak na bázi keramiky na železo a mě nenapadlo nic jiného, než vzít pár opravdu exponovaných jader a zkusit to. U nás ve Škodovce si zatím nový povlak osaháváme a zkoušíme, co vydrží. Výše uvedené výsledky vypadají velice slibně a já jsem rád, že mohu být při tom. Zároveň bych rád touto cestou poděkoval Ondrovi Zindulkovi a celému týmu SHM za výbornou spolupráci a velmi cenné zkušenosti, o které se vždy ochotně podělili.“

Příběh pokračuje

Tlakové lití hliníku není jediná úspěšná aplikace nového povlaku. V současnosti probíhá velmi slibné testování variant pro obrábění nerezových materiálů, duralu a neželezných kovů, test s vyměnitelnými břitovými destičkami, verze pro tváření a plastařinu. Nový systém povlaku rovněž překvapil možností nanášet elektricky nevodivé vrstvy a vrstvy s oxidační odolností přes 1 000 °C. O výsledky a zkušenosti z aplikací nových verzí povlaků SIGAAN se s vámi podělíme v blízké budoucnosti.
SHM

www.shm-cz.cz

Reklama
Vydání #9
Kód článku: 200911
Datum: 09. 09. 2020
Rubrika: Inovace / Povrchové úpravy
Autor:
Firmy
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.

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.

Tryskání až 250 tun těžkých odlitků

Pokud jde o výrobu nesmírně velkých, těžkých a složitých odlitků, je jejich původcem slévárna PJSC Energomashspetsstal. S procesem odlití je spojena rozsáhlá kontrola kvality. Aby byl získán povrch o požadované kvalitě, jsou až 12 metrů dlouhé, 7 metrů široké, 5 metrů vysoké a až 250 tun těžké díly tryskány. Zařízení, které je vůbec celosvětově největším tryskacím zařízením, koncipovala společnost Rösler, která se přitom zcela přizpůsobila stávající prostorové situaci.

Související články
Vyšší výkon při nižších nákladech

Energetická účinnost výrobních strojů a zařízení se dostává stále více do centra pozornosti. To je určitě důvod, proč je stále více tryskacích zařízení vybavováno turbínami Rösler Long Life Rutten - umožňují totiž energetické úspory až 25 %.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Použití DLC povlaků (nejen) v automobilovém průmyslu

Povlakování v České republice zažívá v posledních letech velmi plodné období. Těchto služeb masivně využívají zejména firmy z všeobecného strojírenství a automobilového průmyslu. Stále více nachází uplatnění také u firem působících v leteckém, potravinářském, energetickém a elektrotechnickém průmyslu.

Moderní povrchové úpravy

Akciová společnost Liss byla založena a je 100% vlastněna švýcarskou skupinou B.C.I. Group. Od svého založení před více jak 22 lety se vyprofilovala na oblast inovací, zavádění nových technologií a postupů především v oblasti povrchového inženýrství a povrchových úprav. Aktivně působí nejen v oblasti aplikací a vývoje tenkých PVD povlaků. Nabízí svoje služby i v oblasti galvanických vrstev, metalizace nevodivých materiálu a depozici optických vrstev.

Optimalizace omílání lisovaných dílů

Investicí do nového průběžného omílacího zařízení zvýšil podnik s mezinárodní působností v oblasti lisovací techniky svoji kapacitu v opracování povrchu o asi 15 % a tím současně snížil náklady.

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.

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.

RCMT - 20 let ve výzkumu obráběcích strojů

Před 20 lety se začaly psát dějiny novodobé tuzemské výzkumné základny strojírenské výrobní techniky. Tento příspěvek nahlíží na klíčové milníky na jeho cestě očima aktérů, kteří stáli a stojí po jeho boku. Vydejme se společně na cestu, která formovala dnešní podobu Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT (Research Center of Manufacturing Technology) při FS ČVUT v Praze.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Od tlakové slévárny až po kompletní výrobu

Outsourcing u sléváren a kováren nabývá na důležitosti. Přesun obrábění od OEM výrobců do sléváren vedl k tomu, že se řada tlakových sléváren přeorientovala na kompletní výrobu. Příkladem je závod Ljunghäll v České republice, který s podporou firmy Grob rozšířil výrobu z tlakového lití na dodávky komplexních dílů pro automobilový průmysl.

Formárenský veletrh se blíží

Již třetí ročník formárenského veletrhu Moulding Expo v druhé polovině května bude hostit výrobce forem a nástrojů a dodavatelé potřebných technologií ve Stuttgartu. Pořadatelé sezvali novinářskou obec do slovinské Lublaně, kde prozradili několik detailu o blížícím se veletrhu. Součástí tiskové konference byla také návštěva místních nástrojáren a výzkumného centra pro formárenství.

Prestižní ocenění za vývoj PVD povlaků

„Česká hlava je největší projekt pro rozvoj české vědecké a technické inteligence, tedy té části společnosti, která bývá mnohdy upozaděná, ačkoliv na ní stojí prosperita naší země,“ stojí na webových stránkách soutěže, která vznikla před 18 lety a neoficiálně se jí také říká „česká nobelovka“.

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