Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Trendy v povlakování slinutých karbidů
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Trendy v povlakování slinutých karbidů

První povlakované břitové destičky ze slinutého karbidu pro obrábění vyrobila firma Sandvik Coromant v roce 1969. Jednalo se o materiál GC125, povlakovaný TiC o tloušťce vrstvy 4 - 5 μm.

S malým časovým odstupem následovaly povlaky typu TiN a TiCN, povlaky Al2O3 přišly na trh v polovině 70. let. Otěruvzdorné vrstvy byly vytvářeny na podkladech z běžných SK metodou CVD, jako jedno- i vícevrstvé. Povlaky PVD se jako otěruvzdorné vrstvy na břitových destičkách ze slinutých karbidů začaly používat na začátku 80. let. Nejužívanějším povlakem PVD byl jednovrstvý TiN.
Obvykle jsou v literatuře uváděny následující vývojové stupně povlakovaných slinutých karbidů:
  • 1. generace: jednovrstvý povlak (téměř výhradně TiC) s tloušťkou asi 7 μm a špatnou soudržností podkladu a povlaku.
  • 2. generace: jednovrstvý povlak (TiC, TiCN, TiN) bez eta-karbidu na přechodu podklad - povlak, tloušťka až 13 μm.
  • 3. generace: vícevrstvý povlak (dvě až tři, případně i více vrstev) s ostře ohraničenými přechody mezi jednotlivými vrstvami. Nejčastěji bývají jednotlivé vrstvy řazeny v tomto pořadí (od podkladu k povrchu): TiC-Al2O3, TiC-TiN, TiC-TiCN-TiN, TiC-Al2O3-TiN, TiCN-Al2O3-TiN.
  • 4. generace: speciální vícevrstvý povlak (velmi často i více než 10 vrstev a mezivrstev), s méně či více výraznými přechody mezi jednotlivými vrstvami (užívají se stejné materiály povlaků jako u 3. generace). Výroba takovéhoto povlaku je umožněna cíleným řízením atmosféry v povlakovacím zařízení, podle potřeb technologického postupu povlakování.
  • Princip výroby povlakovaných slinutých karbidů

    Povlakované slinuté karbidy jsou vyráběny tak, že na podkladový materiál (původně běžný SK typu K, P nebo M, dnes speciální SK) se nanáší tenká vrstva materiálu s vysokou tvrdostí a vynikající odolností proti opotřebení (povlak ve formě tenké vrstvy má vyšší tvrdost i pevnost než stejný homogenní materiál v jakékoli jiné formě). Tyto výhodné vlastnosti vyplývají zejména z toho, že povlakový materiál neobsahuje žádné pojivo, má o jeden i více řádů jemnější zrnitost a méně strukturních defektů (póry, dutiny) a tvoří bariéru proti difuznímu mechanismu opotřebení nástroje. Podle principu se metody povlakování dělí do dvou základních skupin:
  • Metoda CVD (Chemical Vapour Deposition = chemické napařování z plynné fáze) probíhá za vysokých teplot (nad 1000 oC); tato metoda byla až do začátku 90. let hlavní metodou povlakování slinutých karbidů. K jejím výhodám patří výborná adheze mezi podkladem a povlakem, možnost nanesení vrstev o větší tloušťce (10 - 13 μm), povlakování předmětů složitějších tvarů, všestranný účinek a variabilita typů povlaků. Za nevýhody lze považovat ovlivnění podkladového materiálu (snížení ohybové pevnosti), nemožnost povlakovat ostré hrany a tahová zbytková pnutí v povlaku.
  • Metoda PVD (Physical Vapour Deposition = fyzikální napařování) je charakteristická nízkými pracovními teplotami (pod 600 oC, podle některých pramenů i 350 oC). Tato metoda byla původně vyvinuta pro povlakování nástrojů z rychlořezných ocelí, v současné době je ve velkém rozsahu používána i u břitových destiček z SK, určených pro přerušovaný řez (frézování). Vytváří tlaková zbytková pnutí v povlaku, nemá nepříznivý vliv na vlastnosti podkladu a je schopna povlakovat i ostré hrany. Na druhé straně vyžaduje mnohem důkladnější přípravu povrchu vzorku před povlakováním (odmašťování, čištění) a má směrový účinek (plochy, které jsou odvrácené od místa odpařování povlakového kovu, by bez neustálého pohybu vzorku zůstaly zcela bez povlaku). K dalším nevýhodám patří tenčí vrstva povlaku (kolem 5 μm) a menší možnosti výběru typu povlaku.
  • Současný stav a perspektivy dalšího vývoje

    Na přelomu 80. a 90. let je zřejmý růst počtu břitových destiček s vícevrstvými povlaky 3. a 4. generace i narůstající počet povlaků vyrobených jinou metodou, než je CVD. Zřetelný posun k metodám PVD a PCVD je způsoben výbornými vlastnostmi takto vyrobených povlaků při přerušovaném řezání (např. frézování). Uvedené trendy nejenže přetrvaly až do současnosti, ale v důsledku zdokonalování stávajících metod a vývoje nových povlakovacích metod jsou neustále zesilovány.
    V souladu s vývojem na konci 80. let jsou dnes u vyměnitelných břitových destiček ze slinutých karbidů nejčastěji používány povlaky čtvrté nebo třetí generace. K původním materiálům pro jednotlivé vrstvy (TiC, TiN, TiCN, Al2O3) přibývají další nové materiály, jako např. Al2O3+ZrO2, AlTiN, B4C, CrC, CrN, HfC, HfN, MgO, SiO2, TaC, TaN, TaCN, TiC+TiB2, (Ti-Cr)CN, TiAlN, TiAlSiN, TiO2, Ti2N, TiN/NbN, TiN/TaN, TiZrN, Y2O3, ZrC, ZrN, některé z nich se ale prozatím nedostaly do stadia sériové výroby a praktického užití. Významnou roli při zvyšování výkonů řezných nástrojů hrají i tzv. lubrikační povlakové vrstvy, např. MoS2, vytvořené metodou PVD. Jejich nejdůležitější funkcí je výrazně snížit tření mezi čelem nástroje a odcházející třískou (nižší tepelné zatížení nástroje se pak projeví ve zvýšení jeho trvanlivosti).
    Velký zájem výrobců je soustředěn též na vývoj a sledování vlastností povlaků z polykrystalického diamantu, jen velmi sporadicky se v odborných pramenech vyskytují práce zabývající se povlaky z PKNB.

    Plazmaticky aktivovaná CVD metoda

    Zásadní kvalitativní změnu v technologii vytváření tenkých otěruvzdorných vrstev přinesla tzv. plazmaticky aktivovaná CVD metoda (označení PCVD, nebo také: PACVD - PlasmA CVD, PECVD - Plasma Enhanced CVD, MWPCVD - MicroWave PlasmA CVD, mikrovlnní plazmatická CVD metoda), která se od klasické CVD metody liší nízkými pracovními teplotami (běžně 600 oC, podle některých údajů i méně, např. 480 - 560 oC), přičemž nemění její princip, tj. vytváření povlaku z plynné fáze. Metoda PCVD je založena na zvýšení energie plynné atmosféry v povlakovací komoře pomocí její ionizace a aktivace v plazmatickém výboji. Takováto chemicky aktivovaná plazma umožňuje snížit teplotu potřebnou pro ukládání povlaku na povrchu substrátu. Plazmu lze vytvořit pomocí vnějšího elektrického napájecího zdroje (nízkofrekvenční střídavé napětí, vysokofrekvenční střídavé napětí, stejnosměrné napětí, pulzní stejnosměrné napětí) nebo reaktivním plynem (např. NH3). U elektrického napájení je za nejvýhodnější považována pulzní metoda, u které je vysoké stejnosměrné napětí přiváděno na katodu ve formě pečlivě řízeného sledu pulzů. Pulzy zapálí plazmu bez nebezpečí vzniku elektrických oblouků a v důsledku možnosti řízení jejich délky a přestávek mezi nimi lze užít právě takové urychlující napětí, které postačuje pro vytvoření povlaku s požadovanými parametry a nezpůsobuje přitom příliš vysoký ohřev substrátu. PCVD metodou byly vytvořeny např. povlaky TiN (tvrdost 2200 HV, teplotní odolnost do 450 oC) a TiCN (tvrdost 3000 HV, teplotní odolnost do 350 oC).

    Middle Temperature CVD metoda

    Další metodou, která je založena na principu snížení vysokých pracovních teplot CVD metody, je tzv. MTCVD metoda (Middle Temperature Chemical Vapour Deposition). Na rozdíl od konvenční CVD technologie, kde teploty nanášení povlaků dosahují hodnot nad 1000 - 1040 oC, umožňuje technologie MTCVD nanášet povlaky z plynné fáze za teplot podstatně nižších, 700 - 850 oC. Zatímco u metody CVD je používán plynný metan CH4 (zdroj uhlíku) a čistý dusík, MTCVD metoda využívá jako vstupní sloučeninu acetonitril (CH3CN) nebo též vysoce toxický a hořlavý metylkyanid. Zdrojem titanu je u obou metod chlorid titaničitý (TiCl4). Rychlost růstu vrstvy TiCN je u metody MTCVD přibližně třikrát vyšší než u klasické vysokoteplotní CVD metody. Podkladový slinutý karbid se díky vysoké reaktivitě systému TiCl4 - CH3CN nepodílí na ovlivňování povlaku - difuze uhlíku z podkladu do povlaku je zanedbatelná, a proto je prakticky vyloučen vznik křehkého eta-karbidu mezi povlakem a podkladem. Mezi hlavní výhody MTCVD metody patří skutečnost, že v důsledku nižší reakční teploty nedochází k poklesu houževnatosti podkladového SK a břitové destičky jsou odolnější proti mechanickým rázům a mohou být použity při vyšších hodnotách posuvových rychlostí. Ze stejného důvodu lze též vyrábět břitové destičky s většími kladnými úhly čela (a tedy menšími úhly břitu) bez rizika, že by při jejich použití v přerušovaném řezu docházelo k vylamování ostří.

    Multivrstvé povlaky

    Vysoké trvanlivosti a s ní spojených vysokých úběrů obráběného materiálu dosahují břitové destičky ze slinutých karbidů s tzv. multivrstvými povlaky, které jsou založeny na principu pravidelného střídání dvou typů vrstev s rozdílnými fyzikálními vlastnostmi (tloušťky jednotlivých "monovrstev" jsou přitom velmi malé, kolem 10 nm). Fyzikální vlastnosti výsledné multivrstvy jsou pak výrazně odlišné od vlastností homogenní monovrstvy stejného průměrného složení. Experimentální multivrstvý povlak firmy Valenite má např. tloušťku 13 μm a skládá se z 22 alternujících vrstev oxid/TiN a 78 alternujících vrstev TiC/TiN na podkladu z oceli. Multivrstvý povlak TiN-NbN dosahuje tvrdosti HV až 50 GPa a několikanásobně zvyšuje trvanlivost ve srovnání s monolitním povlakem (TiNb)N. Literatura uvádí u "supermřížkových" multivrstev TiN-NbN hodnotu mikrotvrdosti 32 GPa (HV0,5N), u multivrstev TiN-TaN hodnotu 39 GPa (HV0,5N) a potvrzuje vynikající řezné vlastnosti uvedených povlaků ve srovnání s jednovrstvými povlaky PVD nebo CVD.

    Nanokrystalické kompozity

    Dalším vývojem multivrstvých povlaků vznikly tzv. nanokrystalické kompozity, u nichž jsou mikrostrukturní a prostorové rozměry sníženy do nanometrických dimenzí a které jsou složeny z více druhů materiálů, jejichž vzájemná rozpustnost je minimální. Při optimálním poměru jednotlivých složek je vytvořena termodynamicky stabilní struktura s unikátními fyzikálními vlastnostmi, např. u systému TiN-Si3N4 může tvrdost povlaku dosáhnout hodnoty HV vysoko nad 50 GPa.

    Nanášení multivrstev

    Firma Valenite vyvinula povlakovací metodu MLCVD (Multi-Layer Chemical Vapor Deposition), kterou lze na podklad nanést až 200 extrémně tenkých vrstev povlaku. Firma oznamuje vývoj povlakovaných materiálů s 62 navzájem se střídajícími vrstvami TiC a TiCN s nanometrovou tloušťkou (10-3 μm). Povlak má velmi malou drsnost, a proto výrazně snižuje tření mezi třískou a čelem nástroje, což vede k podstatnému snížení množství vzniklého tepla. Nižší teplota znamená, že povlak si lépe zachovává svoji tvrdost, je odolný proti chemickým reakcím, a proto má nástroj vyšší trvanlivost. Multivrstva je též odolnější proti šíření tepelných trhlin, které jsou zastavovány na rozhraní jednotlivých vrstev a nešíří se přes celou tloušťku povlaku, jako je tomu u povlaků s malým počtem vrstev. To znamená, že pokud se trhlina má rozšířit až k povrchu substrátu, musí u povlaku Valenite překonat celkem 62 bariér. Firma vyvinula povlakované materiály SpectraMill SM245 pro frézování materiálů na bázi Fe a SpectraThread ST145 pro zapichování a výrobu závitů, připravují se materiály pro soustružení a vrtání. Firma investovala do MLCVD technologie více než 10 milionů USD.

    Diamantové povlaky

    Břitové destičky ze slinutých karbidů s povlakem z polykrystalického diamantu byly připraveny jako alternativa břitových destiček s připájenými roubíky. K hlavním výhodám povlakovaných destiček patří větší rozsah výroby, nižší výrobní cena, pružná změna a větší složitost tvaru (např. utvářeč). Syntéza diamantu z plynné fáze má asi čtyřicetiletou historii, avšak současný široký výzkum diamantových povlaků začal až v roce 1982 a pokrývá vývoj vrstev usazovaných z CH4 metodou CVD nebo plazmaticky aktivovanými metodami PACVD či MWPCVD. Ačkoli je CH4 nejčastěji užívaným plynem, jako zdroj plynu lze též použít C2H5OH, CO nebo C2H2. Diamantový povlak má velmi malý součinitel tření, menší než např. teflon (nižší součinitel tření povlakové vrstvy se projeví ve zvýšení řezného výkonu nástroje), jeho tepelná vodivost je několikrát vyšší než tepelná vodivost mědi. Rychlost růstu vrstvy PKD se pohybuje kolem hodnoty 1 μm.h-1.
    Břitové destičky s diamantovým povlakem mají větší počet využitelných břitů než klasické destičky s roubíkem připájeným na jedné špičce destičky, předlisovaný utvářeč třísky umožňuje zvýšit používané řezné rychlosti. K jejich největším nedostatkům patří nízká houževnatost (diamantový povlak vytvořený metodou CVD je křehký, pokud je ukládán na povrch substrátu s nízkým obsahem kobaltu). Takovéto destičky nejsou schopny odolávat mechanickým šokům, a proto nejsou vhodné pro hrubovací obrábění a přerušované řezy. V důsledku nerovnoměrného rozložení kobaltu v podkladovém SK lze u nich jen velmi těžce předvídat řezné vlastnosti a výkony, přesto mohu mít ve srovnání s nepovlakovanými destičkami 10krát - 50krát vyšší trvanlivost (závisí na obráběném materiálu a řezných podmínkách). Jejich ceny (50 - 70 USD, 1900 - 2660 Kč) jsou nižší než ceny destiček s připájeným roubíkem PKD (80 - 100 USD, 3040 - 3800 Kč), vzhledem k vyššímu počtu břitů je ale jejich životnost mnohem vyšší.

    Další články

    Obráběcí stroje a technologie

    Komentáře

    Nebyly nalezeny žádné příspěvky














    Sledujte nás na sociálních sítích: