Tak trochu jiný povlak

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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.“

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