Témata
Reklama

Tlustá PVD vrstva pro tvářecí aplikace

Článek je věnován základním vlastnostem tlustých vrstev, které jsou optimalizovány pro použití v tvářecích operacích. Patří do rodiny povlaků, které jsou výsledkem ryze tuzemského vývoje.

Tlustá vrstva - co se skrývá ze tímto pojmem? Standardní PVD technologiemi připravované vrstvy jsou nanášeny v tloušťkách pouze několika málo mikrometrů. Pro osové nástroje (frézy, vrtáky apod.) je to v rozmezí 2 - 3 µm, na vyměnitelných břitových destičkách jsou vrstvy 4 - 8 µm tlusté. Velmi zřídka se nanášejí povlaky v tloušťkách nad 10 µm, a to převážně na některé tvářecí nástroje. Tlustá vrstva, tak jak je chápána v tomto článku, má tloušťku nad 20 µm, typicky okolo 50 µm, ale v technicky odůvodněných aplikacích může být připravena i s tloušťkou do 100 µm.
Reklama
Reklama
Reklama

Omezení standardních PVD vrstev

Z pohledu geometrie řezných nástrojů není mnohdy silnější vrstva akceptovatelná. Dochází k zaoblení řezných břitů a následně k nárůstu řezných sil, jež mohou způsobit destrukci břitů nebo minimálně snížení životnosti nástroje či zhoršení kvality obráběného povrchu.

Dalším důvodem omezení tloušťky standardních PVD vrstev je jejich vnitřní zbytkové pnutí. Dosahuje nezřídka i 5 až 7 GPa. Z hlediska mechanických hodnot pro povlakování používaných materiálů jsou to hodnoty extrémně vysoké. Například mez kluzu běžných HSS materiálů je okolo 3 GPa (ČSN 19 830), tvrdokovu řady K cca 5 GPa. Při větších tloušťkách vrstev tak dochází k nárůstu mechanického namáhání nejenom podkladového materiálu (problém je umocněn "ostrými geometriemi"), ale zároveň je namáháno i rozhraní mezi povlakem a podkladem. V kritickém okamžiku povolí nejslabší článek řetězu - viz obrázky č. 3, 4 a 5 znázorňující příklady některých porušení.
Snad poslední zásadní komplikací je rychlost růstu vrstvy. Běžné hodnoty růstu dosahované na průmyslových povlakovacích zařízeních se pohybují mezi 1 - 2 µm.h-1. Při tloušťkách vrstev okolo 50 µm by v tomto režimu trval povlakovací cyklus desítky hodin a nanesení těchto povlaků by bylo ekonomicky neúnosné.

Systém tlustých vrstev

Úvod nastínil oblasti a problémy, které bylo nutno překonat při vývoji skutečně tlustých vrstev. Nejdůležitějším krokem bylo nalezení systému s možností kontroly vnitřního pnutí. Nejnižší hodnoty pnutí jsou spojeny s povlaky TiN a CrN. Je rovněž znám příznivý vliv Ni na kompenzaci vnitřního stresu. Pro vývoj byl zvolen systém TiCrNiN, kombinující přednosti zmíněných povlaků.

Povlak byl vyvinut na povlakovacích zařízeních se dvěma rotačními elektrodami. První je tvořena čistým Ti a druhá je kompozitem Cr : Ni ve zvoleném poměru 50 : 50 hmotnostních %. Toto uspořádání velmi elegantně umožňuje měnit stechiometrii vrstvy a tudíž její vlastnosti v souladu s požadavky aplikace pouhou změnou poměrů proudů na jednotlivých elektrodách. Podrobnosti k technologii a k povlakovacím zařízením již byly uveřejněny např. v MM 10/2004.

Popis a vlastnosti vrstvy

Provedené experimenty se zaměřily na zjištění vlivu složení vrstvy na její tvrdost, elastické vlastnosti (Fisherscope), vnitřní zbytkové pnutí, strukturu vrstvy (EDX, WDX, XPS, XRD, ERD) a rychlost růstu. Vrstva dosahuje největší tvrdosti 38 GPa při 23% poměru proudu elektrodou CrNi a rychlosti růstu přibližně 7 µm.h-1. Naopak nejvyšší rychlosti růstu (až 19 µm.h-1) je dosaženo při tvrdosti vrstvy okolo 28 GPa. Protože tato tvrdost, především pro HSS materiály, je ještě velmi zajímavá, bylo toto složení s ohledem na ekonomiku povlakování voleno jako složení standardní. Výsledky zmíněných analýz pro toto složení jsou shrnuty v tabulce 1. Za zmínku stojí prakticky nulové zbytkové pnutí vrstvy, velikost krystalitů TiN a Ni v rozsahu jednotek nm a v neposlední řadě výskyt metalické fáze Ni. Lze říci, že provedené analýzy potvrdily předpokládané mechanismy umožňující přípravu vrstvy v mimořádných tloušťkách. Pro experimentální účely byly připraveny vrstvy v tloušťkách od 5 až do 87 µm. Podrobnější informace k použitým metodám jsou k dispozici např. v MM 6/2004.

Aplikace

Tlustá vrstva TiCrNiN směřuje především do oblasti tvářecích nástrojů. Díky svým vlastnostem může být použita jak na nástroje nové, tak především na renovaci nástrojů opotřebených. V mnoha aplikacích lze předpokládat, že nový, tlustou vrstvou povlakovaný HSS nástroj bude ekonomičtější variantou nástrojů tvrdokovových,
Druhá oblast, tedy renovace nástrojů povlakováním, je poměrně revoluční. Úspěch je ovšem přímo podmíněn schopností nanášet vrstvu v tloušťkách srovnatelných s opotřebením nástroje.

Jednou z velmi slibných testovaných aplikací je tažení ocelových profilů. Ve spolupráci s firmou Jäkl Karviná byl vytipován již z důvodu opotřebení vyřazený tažný nástroj, konkrétně HSS matrice pro profil č. 470 5910, jež byla následně renovována nanesením vrstvy TiCrNiN o tloušťce 63 µm výše popsaného složení. Porovnání s nepovlakovaným nástrojem při tažení materiálu ČSN 11 343 je provedeno v tabulce 2.

Povlakovaný nástroj bude mít (testy stále probíhají) pravděpodobně nejenom výrazně větší životnost při současně větších rychlostech tažení, ale i výrazně vyšší komfort obsluhy nástroje.

§§§
Tažné nástroje patří rozměrově rozhodně k těm větším. Jelikož testované zařízení umožňuje povlakovat nástroje pouze do průměru 250 mm a výšky 70 mm, nebo rotační nástroje až do průměru cca 80 mm a výšky 300 mm, je v současnosti dokončován vývoj nového zařízení s větší kapacitou. Rozměry povlakovatelných nástrojů se následně zvětší až na průměr 350 mm při výšce 100 mm nebo u rotačních nástrojů na průměr cca 130 mm a výšku 420 mm.

Tlustá vrstva byla vyvinuta společností SHM v rámci projektu Progres, FF-P2/004. Tento projekt je realizován za finanční podpory státu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu.

Ing. Ondřej Zindulka
Reklama
Související články
PVD povlak CrNx – když tloušťka není na závadu

Společnost SHM dokončila vývoj a testování PVD povlaku založeného na nestechiometrickém CrN s neobvyklou tloušťkou nad 20 µm, výbornou drsností a rychlostí růstu. Povlak je připraven vlastní patentovanou technologií, která kombinuje magnetronové naprašování a obloukové napařování. Je určen nejenom pro tvářecí nástroje, ale směřuje i do oblasti komponentů

Termomechanické zpracování

Globální svět s možností volného cestování a neomezeného přístupu k informacím s sebou přináší riziko chybných nebo nepřesných překladů odborných pojmů z jiných jazyků. Ve své praxi vysokoškolského lektora s předchozí zkušeností technologa se setkávám zejména v posledních letech se značným rozvolňováním odborných pojmů, které mohou vést až k matení odborné veřejnosti. V tomto příspěvku se pokusím stručně shrnout přehled a podstatu technologických postupů, označovaných v češtině pojmem termomechanické zpracování (TMZ, resp. TMP, z anglického thermomechanical processing, což odpovídá též pojmu thermo-mechanical treatment – TMT).

Optimalizace tvaru nástroje pro válcování

V současné době je velmi vyhledávaným strojem válcovačka typu ULS. A s rozvojem elektromobility se jeví velmi pravděpodobný požadavek na zvyšování produkce hřídelových součástí. Společnost Šmeral Brno se proto rozhodla inovovat a zlepšit nejen stroj ULS, ale i samotný proces tvorby nástrojů příčného klínového válcování (PKV).

Související články
Kapalina jako tvářecí medium

V dnešní době je stále více kladen důraz na sofistikovanost i ekonomickou efektivnost výrobních procesů. Současně je žádána výroba stále složitějších tvarů, vyplývajících především z designových návrhů lisovaných součástí, které dříve nebyly řešitelné jako např. výroba negativních tvarů, složitě prostorově i tvarově orientovaných trubkových dílců apod. V tomto případě lze s výhodou, namísto pevných konvenčních nástrojů, využít výrobní metody zaměřené na nepevné nástroje, jako je např. kapalina.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Moderní způsoby ochrany vysokopevných ocelí

V posledních letech je v automobilovém průmyslu kladen stále větší důraz na snižování hmotnosti vozu, potažmo spotřeby a z ní plynoucích emisí, za současného zvýšení bezpečnosti posádky. Jednou z možností, jak splnit tyto požadavky, je nahrazení starých materiálů používaných pro výrobu určitých komponentů za nové, pevnější. Díl z pevnějšího materiálu může být tenčí a potažmo i lehčí oproti dílu původnímu, ale současně je schopen vydržet stejné, nebo i větší namáhání.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Vliv materiálu na kvalitu výlisku

Kvalita vstupního materiálu významně ovlivňuje výslednou kvalitu výlisku. Ověřování jeho vlastností je možné provádět různými zkouškami, mezi něž patří ověřování jeho mechanických vlastností či technologické zkoušky.

Nová řada vysekávacích lisů kombinovaných s laserem

V souladu s tradicí soustavného rozvoje produktových řad uvedla společnost Prima Power na trh kompletní novou generaci servoelektrických vysekávacích lisů kombinovaných s laserem.

Metodika kompenzace odpružení u velkoplošných karosářských výlisků

Dnešní doba je charakterizována rychlou reakcí na akceschopnost a poptávku a klade vysoké požadavky na konečné nízké provozní náklady a vysokou kvalitu všech výrobků. V ideálním případě by měly být výlisky vyráběny bez defektů. Takto dokonalého stavu ovšem není možné zatím dosáhnout. Již v minulosti bylo řadou autorů popsáno početné množství defektů, u kterých se dnes ví, jaký přístup pro jejich predikci a eliminaci zvolit. Jedná se například o zvlnění materiálu, vyčerpání plasticity, iniciace trhliny, ztenčení materiálu aj.

Co je nového v tvářecí technice

Oblast plošného tváření je dynamicky se rozvíjející segment výroby dílců z plechu. Mezi technologií a stroji byl v minulosti veden neustálý boj. Vždy se podařilo vyvinout technologii, která o kus dál posunula hranice zpracování těžko tvářitelných materiálů nebo tvarově složitých dílců. Velkou roli v tomto rozvoji technologií plošného tváření vždy hrál automobilový průmysl, který neustále zvyšoval požadavky na komplikovanější tvary v souvislosti s fantazií designérů.

Nekonvenční zpracování nové generace vysokopevných výkovků

Vysokopevnostní zušlechtěné výkovky se strukturou popuštěného martenzitu v současné době představují high-end skupinu kovárenských produktů. Díky nejnovějším poznatkům z oblasti fyzikálně-metalurgických dějů probíhajících v materiálu výkovků by skupina vysokopevnostních výkovků mohla být doplněna novou generací výkovků, jejichž struktura je tvořena nekonvenčním CFB (Carbide-Free bainitem) a QP martenzitem.

Požadavky na lisy a nástroje při výrobě převodovek

Stoupající požadavky na redukci CO2 ve výfukových plynech automobilů vedly k jejich narůstající hybridizaci a elektrifikaci. Z těchto důvodů se výrazně zvyšují nároky na plechové díly nejenom v konstrukci karoserií osobních automobilů, ale také v jejich pohonech. Jsou to především požadavky na kvalitu a rozměrovou přesnost. Zvyšuje se komplexnost těchto dílů, a proto také nabývají na významu nároky na tvářecí stroje a nástroje.

První krok od ohraňovacího lisu k servo-elektrické ohýbačce

Požadavky na trhu se mění a zpracovatelé stále více čelí situacím, kdy jsou velké série a objemy nahrazeny potřebouči poptávkou vyrábět malé série, navíc postavené na bázi just-in-time dodávek.

Trendy ve výrobě plochých polotovarů tvářených za tepla

Využití plechových dílů tvářených za tepla patří dnes již běžně k produkci karoserií osobních automobilů a od jejich prvního nasazení nás dělí bezmála dvacet let. Tento trvalý trend souvisí s požadavkem na maximální zužitkování pohonných hmot a s tím spojené i redukce samotné hmotnosti karoserie. Dalším aspektem jsou limity snižující objemy škodlivých exhalací při spalování paliva, které nutí dlouhodobě producenty osobních i užitkových vozidel hledat alternativní konstrukční řešení. Emisní limity nastavené Evropskou unií, platné od roku 2020, stanovují průměrnou emisi všech modelů v nabídce na 95 g CO2.km-1. To odpovídá spotřebě 3,54 litru nafty či 4,06 litru benzinu na sto kilometrů.

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