Témata
Reklama

Trendy v PVD a CVD povlakování

Dlouhodobým trendem zvyšování užitných vlastností technických součástí je jejich ochrana proti účinkům opotřebení, teplotnímu namáhání, provoznímu tření a korozi. Týká se to zejména výrobních nástrojů, které vzhledem své konstrukci a zejména klínovitému tvaru musejí přenášet extrémní kontaktní namáhání na ostrých hranách. Nosnými řeznými materiály jsou dnes převážně slinuté karbidy, jemnozrnné, s velikostí zrn až pod 0,1 m, dopované přísadami na potlačení růstu zrn. Nicméně tyto podkladové materiály jsou dnes chráněny speciálními povlaky, několikanásobně překonávajícími jejich mechanické a další vlastnosti a tyto nástroje nebo součásti se uvádějí jako povlakované.

Prof. Miroslav Píška

Univerzální obráběč kovů, 48 let praxe a výzkumu v technologii obrábění a materiálovém inženýrství. Zakladatel a spoluzakladatel konferencí Frézování/Milling (5 ročníků),  NewTech (7 ročníků) a zástupce ČR ve vědecké konferenci New Trends in Fatigue and Fracture (NT4F, 20 ročníků). Člen předsednictva Svazu nástrojáren české republiky. Je profesorem oboru Strojírenská technologie na FSI VUT v Brně. 

Scopus ID 650795955

ORCID iD 0000-0002-1873-3750

H-index (Scopus): 9 , 40 dokumentů, 307 citací  v 295 dokumentech
H-index (WOS): 8, 28 dokumentů, 209 citací v 205 dokumentech
Celkem: 316 publikací, 1 305 citaci v odborných pracích

Další publikace pro MM Průmyslové spektrum: 

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Materiály pro řezné nástroje, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.84-95, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie frézování, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.26-46, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie soustružení, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.6-22, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie vrtání, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.52-61, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie vyvrtávání, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.64-68, ISSN 1212-2572

PÍŠKA, M., HUMÁR, A.: Testování řezivosti nových nástrojových materiálů, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.98-108, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Upínání rotačních nástrojů, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.70-82, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M., PODRÁBSKÝ, T.:  Frézování kompozitů, MM Průmyslové spektrum, Vol.2000, (2000), No.4, pp.14-15, ISSN 1212-2572

Všechny moderní technologie povlakování – chemické i fyzikální – vytvářejí velmi odolné vrstvy přímo na povrchu součástí bez potřeby dalšího spojování. Velmi tvrdé (až supertvrdé – více než 70 GPa), ale i měkké povlaky tak dokážou zachovat již hotovou geometrii nástrojů a přitom zvýšit podmínky zatížení nebo prodloužit jejich dobu užití. Výrobní náklady na tyto vrstvy tvoří obvykle zlomek ceny nástroje, ale dosahované kvalitativní parametry jsou bez povlaků prakticky nedosažitelné. Tím získávají povlakované nástroje na přidané hodnotě a zvyšují efektivitu výroby.

Reklama
Reklama
Reklama

U CVD to začalo

První technologie povlakování na počátku 50. let byly chemické (Chemical Vapour Deposition – CVD) a k jejich aplikacím bylo potřeba vysokých teplot (nad 1 000 °C), nutných k disociaci plynů pro tvorbu tvrdých povlaků. Prudký rozvoj zaznamenaly zejména povlaky TiN a TiC, které vzhledem ke stejné mřížce umožňovaly jejich různé mísení Ti(C,N), tvorbu supermřížek a výborné řezné vlastnosti (např. odolnost proti tvorbě žlábků na čele břitů). Jejich aplikace poskytovaly dobrou adhezi, odolnost proti difuzi, rovnoměrné pokrytí všech ploch bez směrového účinku, a dokonce přispěly k zaoblení ostří, což se osvědčovalo zejména u hrubovacích řezných nástrojů pro obrábění litých materiálů s kůrou. Základními aplikacemi byly slinuté karbidy s vrstvami ZrN, Al(O,N) a Al2O3, schopné vydržet toto zatížení.

Snižování teplot

Vývoj chemických technologií s trendem snížení vysokých teplot povlakování (pod 700 °C) za účelem redukce praskání karbidických fází pokračoval středně teplotními technologiemi povlakování (Medium Temperature - MT CVD a PA-CVD –Plasma Assisted), které zvyšují houževnatost některých vrstev, ale obecně snižují i intenzitu difuzních procesů. Nicméně teplot vhodných k povlakování rychlořezných ocelí (HSS) těmito technologiemi nebylo dosaženo. MT CVD (Ti,C)N se však osvědčují při přerušovaném řezu dokonce lépe oproti stejnému povlaku (Ti,C)N vytvořenému fyzikálním způsobem.

Vysoké teploty aplikací a nutnost střídání pracovních plynů za účelem změny chemického složení povlaků, zbytková tahová napjatost i praskání povlaků iniciovaly vznik tzv. fyzikálních metod povlakování (Physical Vapour Deposition - PVD), které znamenaly naprostou revoluci v možnosti řízení geneze povlaků, chemického složení povlaků, jejich stechiometrie, zrnitosti a krystalografie (zvl. epitaxiálního růstu povlaků, eliminace křehkých η-fází, míry koherence mřížek, tvorby podkladových kolumnárních – sloupcovitých – až rovnoosých, zrnitých kubických krystalů na povrchu, jejich orientace a velikosti, dalších specifických mřížkových poruch atd.).

Multivrstvy

Dílčí architektura vrstev prodělala změnu od původní jedné, monolitické vrstvy přes multivrstvy (zpomalujících šíření trhlin na mezifázovém rozhraní) až po gradientní uspořádání (datováno od 70. let, s lepším kotvením na substrátu a velmi tvrdým povrchem), duplexní a triplexní kombinaci povlaků extrémně tvrdých a na třecím povrchu měkkých (tzv. tribologických), obvykle zhotovených v rámci jednoho technologického režimu zpracování. Pracovní teploty dramaticky klesly na obvyklých 300–500 °C, ale v extrémních případech dosáhly i 200–250 °C, ba dokonce nižších. To způsobilo obrovský rozmach aplikací nejen na řezné nástroje, ale obecně na všechny nástrojové materiály pro zápustky, formy, čepele, ale i další nekovové materiály – například plasty.

Další rozvoj obou technologií probíhal s podporou vzniku plazmatu a využitím pokročilých laserových technologií (Plasma-Assisted Chemical Vapour Deposition – PA-CVD, Laser-Assisted Depositions – PLD).

Katodický oblouk nebo magnetron

Doposud se používají dvě základní technologie PVD povlakování (katodický oblouk a magnetron), které mají unikátní vlastnosti i použití, vzhledem k dobré ionizaci odpařovaných materiálů, programovatelnému střídání iontového prostředí a dobré adhezi. Obecně velmi dobré zkušenosti s adhezí patří k metodám s řízeným obloukem, naopak u magnetronových technik se dosahuje lepšího povrchu, prostého makročástic a rychlejší tvorby vrstvy.

Dlouhodobě stabilními povlaky v řadě aplikací jsou PVD povlaky typu (Ti,Al)N, (Ti,Al,Si)N, resp. (Ti,Al,Y)N a (Al,Cr)N, které se osvědčily vůči Ti(C,N) díky vyšší tvrdosti i nižší teplotní vodivosti v přerušovaných řezech (čelním frézování) a při obrábění superslitin. Další výzkum se zajímavým potenciálem pokračuje jak v oblasti směsných fází ternárních (Ti,Zr)N, (Ti,Hf,N), (Ti,Nb)N, (Ti,V,N), (Ti,Cr)N, systémů kvartérních (Ti,Al,V)N, (Ti,Al,Si)N, poměrně komplexních (Ti,Al,Si)(C,N,O,B) nebo nanokompozitních (Al,Cr)N/Si3N4. Velmi slibnými se staly PVD povlaky Al2O3, (2007), i když jejich aplikace nedosáhly rozsahu CVD aplikací u hrubovacích operací.

Ne vždy je vysoká tvrdost povlaků hlavním kritériem úspěšnosti aplikace – při obrábění Al slitin se v poslední době osvědčují povlaky TiB2, které úspěšně eliminují vznik nárůstků zejména na čele břitu nástrojů.

Pluzní rozprašování

Nové technologie PVD povlakování vyvinuté začátkem nového tisíciletí (2003) – tzv. pulzní vysokovýkonné magnetronové rozprašování (High Power Pulse Magnetron Sputtering – HPPMS, resp. reaktivní vysokovýkonné pulzní magnetronové rozprašování High Power Impulse Magnetron Sputtering – HIPIMS) – znamenají další významný krok v povlakování, charakterizovaném horkým a bohatým plazmatem, se špičkovými impulzy 0,4–0,5 MW a dobou jejich trvání 1–20 ms, vysokou ionizací kovů a následovným urychlením částic směrem k povrchu substrátů, kam dopadají s obrovskou kinetickou energií a podporují mj. difuzi prvků, zejména do pojivového kobaltu. Tyto technologie do jisté míry slučují předností obou předchozích PVD technologií a vedle požadovaných vysokých tvrdostí povlaků, jejich dostatečných tlouštěk, součinitelů tření (pod 0,3), poskytují i mimořádnou kvalitu povrchu (Ra<0,1 mm) při povlakovacích teplotách pod 250 °C, lepší aplikace nanovrstev o vyšších hustotách. K jejich základním aplikacím patří například obrábění zušlechtěných ocelí s tvrdostí až 60–63 HRC), vysokorychlostní obrábění a obrábění za sucha.

Kubický nitrid boru

Výzvou pro budoucnost zůstává aplikace kubického nitridu boru, který je tvrdostí srovnatelný s diamantem, ale je navíc inertní vůči ocelovým materiálům. Přestože se objevila již řada předběžných zpráv o zvládnutí této technologie s řádovým prodloužením trvanlivosti na zasedání CIRPu již v roce 2009, stále existuje řada překážek k běžnému průmyslovému použití. Problémem zůstává jeho stabilita, podobně jako u diamantu.

Nanovrstvy

Zvláštní kapitolu tvoří dnes tzv. nanovrstvy (s nanometrickou až amorfní strukturou, s tloušťkou povlaků kolem 10 nm), které obecně potvrzují průběh tvrdosti podle Hall-Petchovy rovnice, ale podobně i zde jsou pozorovány určité anomálie, jako například vyšší tvrdost závislá na periodicitě střídání nanášených povlaků, tvorba supermřížek, spinoidální struktura povlaku podporující vysokou odolnost a řezivost obráběcích nástrojů a jejich intenzivnější řezné podmínky s pracovními teplotami až 900 °C. Snad není tajemstvím, že česká firma SHM, zvládla jako první na světě průmyslovou výrobu nanokompozitních vrstev nc-(Ti1-xAlx)N/a-Si3N4. Zjistit základní mechanické vlastnosti (tvrdost, modul pružnosti) a jejich interpretace bývá velmi složité, i když řada prací se věnuje vlastní indentaci a průběhu zatížení při zatěžování i odlehčování, což se pak s výhodou využívá při MKP analýzách, ale s určitými riziky při reálném chování, např. při obrábění. Proto lze najít rozdílné výsledky a jejich značný rozptyl i pro stejné povlaky v závislosti na použitém postupu a druhu indentoru.

Nároky na čistotu

Velké nároky se dnes kladou na čistotu materiálů (až 99,9999 %), ze kterých jsou zhotoveny kovové terče (tzv. targety) pro odpařování kovů i pro vlastní povlakovací režimy, aby nedocházelo ke zhoršenému zakotvení prvních vrstev povlaku na kontaminovaných vzorcích (aplikací např. rotačních katod) nebo k tvorbě přechodových oxidických subvrstev či tzv. Magnèliho fází. Na druhé straně dnes existuje několik desítek technik i pro omílání a leštění vzorků pro zlepšení adheze povlaků, včetně řad dolešťování a lapování po povlakování.

DLC vrstvy

Tribologické vrstvy, které usnadňují tření mezi styčnými povrchy převážně strojních součástí snadno podléhají smykovému zatížení a účinně snižují tření v místě kontaktu – dříve se jednalo výhradně o vrstvy na bázi MoS2, WC/C nebo kovy Ag, Cu, Au, Pb a In, resp. oxidy V2O5, Ag2Mo2O7, dnes tento trend nejvíce charakterizují tzv. DLC povlaky (Diamond-Like-Carbon), které letos slaví již 60 let vývoje. DLC vrstvy poskytují řadu fyzikálních vlastností (optických, elektrických, tvrdostních, elastických) a chemických (jsou například inertní). Proto se hodí zejména pro tribologické a medicínské aplikace (u nás tyto povlaky vyvíjí HVM Plasma). Je to dáno velkým rozsahem podílu amorfního uhlíku k vodíku (a-C:H) a podílem jejich sp2 (grafit), resp. sp3 (diamant) vazeb uhlíku. Obecně existují dva základní typy DLC povlaků – bezvodíkové, s tetraedrálním amorfním uhlíkem (a-C), a hydrogenované amorfní uhlíkaté vrstvy (a-C:H). Výsledky mechanických a tribologických zkoušek ukazují, že bezvodíkové DLC vrstvy mají extrémně vysokou tvrdost a velmi nízký součinitel tření v mezním mazacím režimu (zadírání), ale tyto výborné tribologické vlastnosti jsou často snižované jejich nízkou lomovou houževnatostí a nízkými parametry odolnosti proti únavě. Další vývoj probíhá zejména v dopování prvky Si a Cr.

Aplikace PVD povlaků

PVD technologie se dnes používají i pro řadu dalších aplikací – lze s nimi vytvářet vrstvy se specifickými optickými vlastnostmi (například oxidické povlaky (Zr,Al)O se zvýšenou odolností proti lomovému porušení), vrstvy kovové (např. vrstvy hliníku na slitinách titanu, které se dále upravují plazmovou oxidací na Al2O3), se speciálními povlaky na křemíkových deskách atd. Nedílnou užitečnou vlastností tvrdých nitridů a oxidů je obecně zvyšování korozní odolnosti povlakovaných materiálů, zejména ocelí, přičemž tloušťka těchto vrstev bývá obvykle i větší než 10 μm. Tyto vrstvy se mohou také kombinovat jako oxidicko-nitridové vrstvy a pro zkrácení doby povlakování je výhodnější použití energeticky výkonnějších iontových depozicí – například pomocí duálních magnetronů.

Prof. Miroslav Píška, CSc.
piska@fme.vutbr.cz

Reklama
Související články
Testování povlakovaných řezných nástrojů

Zkoušení a testování řezných nástrojů provází člověka odnepaměti. Dnes víme, že i člověk časů paleolitických se musel tímto problémem taktéž zabývat a podle analýzy pazourků, zvláště sopečného původu, tak víme, že dokázal umně využívat nejen tuzemských zdrojů, ale kamenných industrií často exotického původu.

Konkurenceschopná výroba začíná kvalitním řezným nástrojem

Technologie obrábění tvoří společný základ pro řadu výrobních technologií. Touto zdánlivě jednoduchou technologií se vytvářejí různé tvary a rozměry rozmanitých součástí požadované kvality, další nástroje pro technologie tváření, vstřikování nebo lití pod tlakem. Dlouhodobým cílem je využívání zejména nástrojů s definovanou geometrií ostří, které má zásadní využití pro CNC a CAD/CAM technologie. Tato geometrie a její trvanlivost záleží na řezném materiálu a na podmínkách zatěžování v jednotlivých technologiích.

Povlaky, povlaky… bez nich to už prostě nepůjde!

V technologických procesech, které zahrnují zejména soustružení, frézování, frézování odvalováním, vrtání, řezání závitů, ale také operace dělení materiálů a stříhání, dochází k vysokým kontaktním tlakům, střižným napětím a působení vysokých teplot na rozhraní břit-obrobek-tříska. Moderní nástroje tyto podmínky dnes dokážou vydržet, dokonce i bez aplikací procesních kapalin a navíc i při vysokorychlostním obrábění zušlechtěných materiálů. Základní podmínkou je účinná ochrana funkčních ploch břitů pomocí tzv. povlaků.

Související články
Řezné materiály současnosti

Řezné materiály a nástroje odedávna určovaly produktivitu výroby a kvalitu obráběné produkce. Někdy je úchvatné pozorovat, jak malé množství řezného materiálu odolává nesmírnému mechanickému a teplotnímu zatížení při úběru materiálu, které dosahuje nejvyšších hodnot, pozorovatelných v technologické praxi. Často se nástroj musí včas vyměnit, i když na břitu mnohdy nejsou pouhým okem vidět stopy opotřebení, neboť nástroj není již chráněn tvrdými povlaky a nikdo nemůže riskovat havárii stroje a prostoje ve výrobě.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Lze zastavit časový rozvoj opotřebení řezných nástrojů?

Je to noční můra výrobců řezných materiálů, ale sen jejich uživatelů. Ve své podstatě již Taylorovy konstanty cT vyjadřují velkoryse čas obrábění řeznou rychlostí 1 m.min-1 (řádově 109÷1013). Ten však představuje v extrémním případě fantastických 19 milionů let obrábění – 24 hodin denně, 365 dnů v roce. To se však nestane, protože se nástroj zničí mnohem dříve jinými mechanismy opotřebení.

Přesné měření tloušťky povlaků

Pro optimalizaci vlastností povrchových povlaků a filmů ve výzkumu, vývoji i průmyslové výrobě je důležitá přesná kontrola jejich tloušťky a rovnoměrnosti rozložení. Metrologická metoda CCI představuje mimořádnou přesnost měření pro široký rozsah tlouštěk povlaků.

Kontrola kvality protikorozní ochrany

Mezi hlavní cíle technického rozvoje patří zvyšování technické úrovně, životnosti, užitné hodnoty, kvality a spolehlivosti strojírenských výrobků, a to s ohledem na ekonomická i ekologická kritéria. Během pracovních cyklů výrobků dochází k interakci s okolním prostředím, a tím i k jejich povrchové degradaci vlivem koroze, opotřebení a dalších dějů. Významný vliv na výslednou kvalitu výrobku mají tedy povrchové úpravy. Ovlivňují jak jeho životnost, tak provozní spolehlivost, a tím i efektivnost a nároky na provoz a údržbu.

Vývoj a výzkum nátěrových hmot pro letecký průmysl

Letecký průmysl vždy patřil a stále patří k tradičním průmyslovým odvětvím v České republice. Výrobky tuzemských firem a podniků „létají“ prakticky po celém světě a svými užitnými vlastnosti dlouhodobě konkurují i jiným renomovaným světovým výrobcům. Nedílnou součástí zajištění požadovaných vlastností leteckých výrobků jsou i povrchové úpravy a ochrany, které jim poskytují přidané ochranné či funkční vlastnosti a umožňují provozovat je po celou dobu jejich technického života.

Vliv míchání na elektrickou vodivost povlaků

Antistatické nátěrové hmoty slouží k vytvoření elektricky vodivých povlaků, jež jsou svými vlastnostmi vhodné pro prostředí, ve kterých je nutné zamezit tvorbě a negativním důsledkům elektrostatického náboje (statické vybíjení, kumulace prachových částic a další negativní jevy).Svá uplatnění nacházejí v petrochemickém průmyslu, přesné optice, elektrotechnice a v celé řadě dalších odvětví. V rámci výzkumu na Ústavu strojírenské technologie ČVUT v Praze byl sledován vliv metody dispergace plniva a parametrů procesu míchání antistatických nátěrových hmot na finální technologické a funkční vlastnosti povlaku.

Dvanácté setkání povrchářů na Myslivně

S příchodem podzimu pořádá každý rok Centrum pro povrchové úpravy již tradiční mezinárodní odborný seminář Progresivní a netradiční technologie povrchových úprav. Ani letos tomu nebylo jinak. Na v pořadí již dvanáctý ročník přijelo do Brna okolo dvou stovek účastníků a redakce MM Průmyslového spektra také nechyběla. Semináři, již léty zažitému pod názvem Myslivna, předchází pověst neformálního pracovního setkání povrchářů, kde se každý rok diskutují potřebná aktuální témata ze strojírenské praxe.

Nátěry pro hezčí vzhled i lepší funkčnost

Nátěrové hmoty se běžně používají k dosažení dekoračních, ochranných a dalších funkčních účinků na určitém povrchu. Své o tom ví i společnost Synpo, která se již od padesátých let minulého století zabývá výzkumem a vývojem syntetických pryskyřic a laků. Jejich nátěrové hmoty používají např. výrobci dopravních prostředků, zemědělských strojů a jiných strojních zařízení.

Efektivní způsob volby odmašťovacího prostředku

V současné době na českém trhu působí několik tuzemských i zahraničních firem, jejichž portfolia průmyslových odmašťovacích prostředků pro konkrétní aplikace jsou značně obsáhlá. Jak z takto velkého množství výrobků vybrat vhodný prostředek pro zvolenou technologii? A potvrdí vůbec očekávání včetně slibované účinnosti? Jednotlivé prostředky je třeba vyzkoušet a vybrat ten, který bude splňovat průnik množiny požadavků.

Korozní komory

Koroze kovů a slitin uzavírá jejich koloběh naší lidskou civilizací v kruhu od jejich výroby z rud přes jejich použití v technické praxi. V drtivé většině případů je korozní děj nežádoucí, protože vede k degradaci výrobku po stránce konstrukční z hlediska užití i po stránce vzhledové, která může být někdy dokonce tou rozhodující. Je velmi málo případů, kde korozní děj je nám pomocníkem při vytvoření odpovídajících povrchů – pro příklad snad jen třeba vznik měděnky na střechách domů či jiné případy vytváření patiny na uměleckých dílech a podobně.

Recyklace práškových nátěrových hmot a likvidace odpadů

V posledních desetiletích došlo k velkému rozšíření práškového lakování na úkor lakování mokrého. Důvodem je nejen vysoká kvalita vytvářených povlaků, ale i výhodnost z hlediska ekonomického a ekologického.

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