Témata

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.

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

Vydání #9
Kód článku: 200911
Datum: 09. 09. 2020
Rubrika: Inovace / Povrchové úpravy
Autor:
Související články
MM Podcast: Každé vítězství má svůj příběh

Olga Girstlová byla v 90. letech nepřehlédnutelnou součástí vznikajícího podnikatelského prostředí tehdejšího Československa. Společně se svým otcem a manželem založili v květnu 1990 společnost GiTy. Vsadili na komoditu s obrovským potenciálem technologického růstu. Po 15 letech manželé Girstlovi však dospěli k rozhodnutí společnost prodat a dále se věnovat jiným komoditám, jako například ekologickému stavitelství. 

CIMT 2021 plně prezenční

Zatímco je celý svět paralyzovaný restrikcemi proti šíření koronaviru covid-19, v Pekingu byl dnes zahájený veletrh obráběcích a tvářecích strojů China International Machine Tool Show CIMT 2021 v plné prezenční formě a téměř shodného rozsahu, jako ročníky předešlé. Ve stejný den a po celý týden, jako Hannover Messe Digital Edition – průmyslový veletrh v plně digitální platformě.

Hannover Messe 2021

Inovace, vytváření sítí a sdílení zkušeností ve věku průmyslové transformace – to jsou klíčová motta, která představují letošní ročník digitálního Hannover Messe, na kterém více než 1 800 vystavovatelů představí svá řešení pro výrobu a energetické systémy budoucnosti. Od umělé inteligence po robotiku, od ochrany klimatu po vodík. Nejdůležitější světový průmyslový veletrh plní svoji roli jako inovační a síťová platforma a vytváří uprostřed koronové pandemie globální platformu pro výměnu zkušeností v době průmyslové transformace.

Související články
MM Podcast: Glosa - God Save the Queen

V naivní představě ekonomického perpetuum mobile zaměstnáváme v poměru k reálné ekonomice nejvyšší počet lidí ve státní a veřejné správě v rámci nejrozvinutějších zemí OECD. Rakovinotvorný rozbujelý a nevýkonný úřednický aparát, vědomě bojkotující vznik e-státu, dokonale paralyzuje správu věcí veřejných. A jeho solidarita s aktuálně zdecimovaným privátním sektorem? Home office na 100 % mzdy, její valorizace, statisícové odměny na MF za ušetřené miliardy (…). 

Související články
V hlavní roli strojař

Fakulta strojní VŠB-TUO se pro letošní rok v rámci náborové kampaně vrací k úspěšné sérii V hlavní roli strojař. Kampaň komunikuje myšlenku, že strojaři jsou hvězdy hrající hlavní roli v moderním světě. Jejím cílem je zlepšit vnímání oboru strojírenství, posílit brand fakulty, a samozřejmě také nalákat uchazeče ke studiu strojařiny.

Chytrá kombinace systémů

Vývoj obráběcích technologií v minulém století nabral na obrátkách. Dnes jsme tuto technologii dotáhli téměř k dokonalosti – jsme schopni vyrobit předměty libovolných tvarů v přesnostech na tisíciny milimetru. Dalo by se říct, že pro zlepšení zde už příliš prostoru nezbývá, přesto nás přední výrobci obráběcích strojů a nástrojů pravidelně přesvědčují o opaku. Progresivní a inovativní přístup společnosti Ceratizit je toho jen dalším důkazem. Nedávno na trh uvedla přesnou vyvrtávací hlavu Komflex z produktové řady Komet, která umožňuje automatickou korekci průměru v případě vyvrtávání přesných otvorů. Jak to nástroj dokáže, upřesňuje v následujícím rozhovoru technický ředitel společnosti Ceratizit Česká republika Ing. Jan Gryč.

MSV ve znamení materiálů i technologií

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro Mekku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, mimo lidi z dalších oborů, setkají i výrobci plastů a též špičkových zařízení pro plastikářskou výrobu. Na naše otázky odpovídají Pavel Tuláček, jednatel společnosti Gorilla Machines, a David Svoboda, jednatel Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery Česko.

Aditivně s nadzvukovou rychlostí

Společnost Hermle je známá především pro svá přesná pětiosá obráběcí centra a nadstandardní servis. Už málokdo ví, že vyvinula také stroj pro aditivní výrobu kovových dílů. Přestože je i tato technologie založena na postupném vrstvení kovového prášku na součást, nedochází zde ke spékání prášku laserovým paprskem, ale kovový prášek je tryskou doslova nastřelován na díl nadzvukovou rychlostí. Na detaily jsme se zeptali technického zástupce společnosti Hermle Pavla Němečka.

Názorové fórum odborníků

Respondenty jsme požádali o jejich názor na podobu budoucích technologií. Současná situace přinesla mnoho omezení, mezi jinými postihla také dodavatelské řetězce, znemožnila včasné dodávky do výrobních podniků a přinesla vyšší nároky na bezpečnost zaměstnanců. Jaké nové technologie podle vás mají v současné situaci největší potenciál se prosadit?

Svařování mědi pomocí vláknového laseru

Rychlý rozvoj v oblasti elektromobility vede ke zvýšení poptávky po svařování mědi. To, co ji činí pro danou aplikaci ideální (tj. vysoká elektrická a tepelná vodivost), ji zároveň činí obtížně svařitelnou konvenčními vláknovými lasery. Díky vyšší efektivitě, zhruba dvojnásobné, někteří výrobci zkoušejí používat zelené pevnolátkové lasery. Výsledkem je stabilnější a méně citlivý proces, než jaký byl možný u standardních vláknových laserů.

Procesně stabilní zpracování recyklátů

Do roku 2025 si Evropská unie klade za cíl ročně více než zdvojnásobit používání recyklátů při výrobě plastových výrobků [1, 2]. K dosažení tohoto cíle jsou kromě závazku firem působících na trhu a vyšší kapacity při zpracování plastového odpadu zapotřebí především nové technologie zpracování. Recykláty je nutné používat v daleko větší míře a v ještě vyšších poměrech. S novými procesy vstřikování na jedné straně a inteligentní podporou na straně druhé sleduje výrobce vstřikovacích strojů Engel různé a často velmi slibné přístupy. Výroba boxů a kontejnerů ukazuje na velký potenciál.

Uplatnění kovového 3D tisku

Společnost Misan z Lysé nad Labem se aditivními technologiemi kovových dílů zabývá a tato zařízení v České republice distribuuje už osm let. Dalo by se říct, že je jedním z průkopníků s těmito technologiemi na českém trhu. Z toho pochopitelně vyplývají také její bohaté zkušenosti s touto relativně mladou výrobní disciplínou. Na otázky, kde tyto technologie nacházejí uplatnění a v jakých oblastech mohou vyniknout, jsme se ptali aplikačního inženýra pro kovové aditivní technologie Jana Hudce.

Aditivní výroba velkých dílů

Porto patří k největší průmyslové oblasti Portugalska. Od roku 1956 zde sídlí přední světový výrobce strojů technologie tváření – společnost Adira.

Fórum výrobních průmyslníků

Jaké zásadní problémy vám současná doba přináší do chodu firmy, jak se je snažíte řešit a s jakým výsledkem?

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy 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