Témata
Reklama

Tvrdé PVD povlaky se zvýšenou lomovou houževnatosti

Společnost SHM Šumperk a Laboratoř PVD technologií Masarykovy univerzity vyvíjejí v úzké spolupráci druhým rokem nový typ ochranných povlaků, které vykazují nejen vysokou tvrdost, ale i zvýšenou odolnost proti tvorbě a šíření trhlin. Mezi úkoly projektu patří experimentální příprava těchto vrstev, studium jejich vlastností, nalezení optimálních parametrů procesu a nakonec otestování u zákazníků. V tuto chvíli je projekt ve fázi přípravy a měření mechanických vlastností dvou povlaků: WBC a TaBC.

Vrstvy obsahující bor obvykle vykazují extrémně vysokou tvrdost a jsou odolné proti otěru. Uhlíkaté vrstvy zase často vykazují nanokompozitní strukturu, kdy zrna karbidu bývají uložena v uhlíkové matrici a tato nanokompozitní struktura díky značnému množství rozhraní ztěžuje šíření trhliny v materiálu a zvyšuje tak jeho lomovou odolnost. Trhlina může být na rozhraní vrstev odkloněna nebo je její šíření výrazným způsobem ztíženo.

Reklama
Reklama
Reklama

Příprava nových typů povlaků

Příprava těchto nových tenkých vrstev probíhá nejen ve firmě SHM Šumperk, ale i přímo na Masarykově univerzitě, jíž firma SHM zapůjčila jeden ze svých průmyslových depozičních systémů. Díky přípravě povlaků přímo na Masarykově univerzitě může být pro rychlou a přesnou analýzu deponovaných povlaků využíváno pokročilé přístrojové vybavení výzkumného centra CEPLANT, v němž Laboratoř PVD technologií působí, což urychluje a zefektivňuje probíhající výzkum.

Pro samotnou přípravu povlaků je na obou spolupracujících pracovištích využíván průmyslový depoziční systém společnosti SHM, jehož schéma je na obrázku 1. Systém je ve standardní konfiguraci s válcovou magnetronovou katodou a s planetárním systémem rotace substrátů. Terč válcové katody se skládá ze segmentů s odlišným složením. Vhodným poskládáním těchto segmentů je dosaženo různé stechiometrie po výšce povlakovaného substrátu. V tomto uspořádání je možné analyzovat vlastnosti deponovaných povlaků v závislosti na jejich složení a ušetřit množství procesů, které by bylo nutné realizovat v případě depozice z oddělených katod. Po nalezení správné stechiometrie se segmenty přeskládají tak, aby složení povlaku bylo ve všech výškách rovnoměrné. Vyvíjený depoziční proces je tedy přímo přenositelný do výroby.

Tvrdost (vlevo) a modul pružnosti (vpravo) TaBC a WBC povlaků v závislosti na obsahu boru v jeho struktuře.

a) Schéma depozičního systému s centrální válcovou katodou, b) pohled shora

Tvrdost a modul pružnosti TaBC a WBC povlaků

Pro studium vlivu obsahu boru a uhlíku na funkční vlastnosti této nové generace ochranných povlaků byly připraveny TaBC a WBC povlaky s podílem kovového prvku nastaveným na 25 atomových procent. Mechanické zkoušky povlaků pomocí instrumentované vtiskové zkoušky (nanoindentace) ukazují, že tvrdost i modul pružnosti přímo závisí na obsahu boru a uhlíku, jak je ukázáno v grafech na obrázku 2. Obecně platí, že povlaky obsahující nízký podíl boru ve struktuře vykazují nižší tvrdost i modul pružnosti. Maxima tvrdosti a modulu pružnosti je dosaženo, pokud povlak obsahuje okolo 40 atomových procent boru. Obdobný vývoj je pozorován nezávisle na použitém kovovém prvku, depoziční teplotě nebo typu planetární rotace substrátu. Mechanické vlastnosti povlaků tak lze jednoduše nastavit díky kontrole jediného parametru, a to prvkového složení, což výrazně usnadňuje jejich průmyslovou přípravu.

Boční pohled na zlomený WBC povlak s multivrstevnatou strukturou z rastrovacího elektronového mikroskopu (vlevo) a prozařovacího elektronového mikroskopu (uprostřed a vpravo)
Boční pohled na zlomený WBC povlak (a) s chemickým mapováním energiově disperzní spektroskopie (EDS): b) wolfram, c) bor


Hlavním rozdílem mezi TaBC a WBC povlaky je jejich mikrostruktura. Zatímco WBC povlaky vykazují plně amorfní strukturu v celém rozsahu studovaných podmínek, TaBC povlaky jsou nanokrystalické nebo nanokompozitní a jejich struktura je tvořena různými krystalickými fázemi v závislosti na jejich prvkovém složení. TaBC povlaky s vyšším podílem boru obsahují krystalické fáze boridů a diboridů tantalu. Povlaky, kde bór je již z velké části nahrazen uhlíkem, pak obsahují karbidické fáze tantalu. Přítomné krystality jsou velmi malé. Dosahují velikosti jen několika nanometrů a vzhledem ke složení daných povlaků jsou velmi pravděpodobně uloženy v amorfní matrici. Z toho plynou rozdílné hodnoty tvrdosti a modulu pružnosti mezi nanokompozitními/nanokrystalickými TaBC povlaky, které dosahují tvrdosti až 33 GPa (modul pružnosti až 400 GPa), a zcela amorfními WBC povlaky, které dosahují tvrdosti do 25 GPa (modul pružnosti 350 Gpa).

Multivrstevnatá struktura povlaků

Připravené povlaky mají navíc multivrstevnatý charakter. Na obrázku 3 jsou snímky z rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM) a prozařovacího elektronového mikroskopu (TEM). Na snímcích je ukázán boční pohled na zlomený povlak, na kterém je tato multivrstevnatá struktura patrná. Povlak se skládá z vrstev různé tloušťky, které se odlišují svým prvkovým složením. Dochází zde ke střídání vrstev s vysokým a nízkým podílem wolframu, což je ukázáno na prvkové mapě na obrázku 4. Průměrná tloušťka jednotlivých vrstviček je 9 nanometrů.

Multivrstevnaté struktury povlaků je dosaženo díky konfiguraci depoziční komory, kdy díky vhodně zvolené geometrii katody a komory dochází k naprašování vrstev s různým prvkovým složením před a za katodou. Tento efekt je demonstrován v grafu na obrázku 5, kde je znázorněna závislost prvkového složení povlaků připravených na staticky umístěné substráty okolo centrální katody. V oblasti (1) před terčem dochází k růstu povlaků se stejným podílem wolframu, boru a uhlíku, zatímco v oblasti (2) za terčem povlaky obsahují nižší podíl těžkého wolframu a jsou tvořeny převážně lehkými prvky, tedy borem a uhlíkem.

Závislost chemického složení vrstev staticky umístěného okolo zdroje částic


Během standardní depozice přechází substrát v důsledku planetární rotace mezi zónami s nižším a vyšším podílem wolframu, což vytváří multivrstevnatou strukturu povlaku složenou z vrstev s nižším a vyšším podílem wolframu. Pouhou změnou rychlosti rotace nebo jejího typu je tak možné řídit tloušťku jednotlivých vrstev a nalézt tak optimální tloušťku jednotlivých nanovrstev a tím dále zvýšit lomovou houževnatost připravených povlaků.

Uplatnění povlaků v nejnáročnějších podmínkách

U připravovaných TaBC a WBC povlaků nové generace se dá předpokládat výhodná kombinace vysoké tvrdosti a zvýšené odolnosti proti vzniku a šíření trhlin díky jejich vhodnému prvkovému složení a díky nanokompozitní struktuře, která v kombinaci s multivrstevnatou strukturou zamezuje vzniku a šíření trhlin. Tím se podstatně zvyšuje možnost využití takovýchto povlaků i v nejnáročnějších aplikacích.

Už předchozí testy na stejném typu povlaku MoBC (viz www.mmspektrum.com/180508) prokázaly jeho zvýšenou lomovou houževnatost. Proto je velká šance, že i nově vyvíjené povlaky budou mít obdobné vlastnosti. Pak by tato skupina povlaků, která prozatím nebyla průmyslově připravena, měla velký potenciál v oblasti ochranných vrstev pro obráběcí a tvářecí nástroje, kde by mělo dojít ke skokovému zvýšení životnosti, případně k nasazení v aplikacích, kde současné povlaky nefungují.

SHM

Mgr. Michael Kroker, Vjačeslav Sochora, Ph.D., Pavel Souček, Ph.D., prof. Petr Vašina

sochora@shm-cz.cz

www.shm-cz.cz


www.pvdlab.cz

Reklama
Související články
Nový segmentovaný nanokompozitní povlak

Společnost SHM se věnuje vývoji nanokompozitních povlaků již od roku 1996. V letošním roce uvádí na trh nejnovější výsledek vývoje - segmentovaný nanokompozitní povlak s obchodním názvem TripleCoating SI.

Nový způsob řízení magnetronové depozice otěruvzdorných povlaků

PVD technologie jsou v průmyslové oblasti poměrně dobře známé, včetně rozdílů mezi principiálně odlišnými metodami obloukového napařování a magnetronového naprašování. Některé nevýhody druhé metody lze eliminovat, případně překlopit do výhody, pokud se využijí nejnovější poznatky výzkumu a vývoje. Společnost SHM zahájila již v roce 2010 přípravu povlaků Darwin novou metodou, ktrerá vychází z vlastní patentované technologie magnetronového naprašování.

Unikátní kombinovaná technologie PVD povlakování

Bigaan je exotický název nové řady PVD povlaků firmy SHM. Povlaky s obsahem boru vznikají při souběhu dvou principiálně odlišných technologií – obloukového napařování a magnetronového naprašování. Firma dokázala využít výhod obou technologií a připravit nanokompozitní povlak na bázi AlCrBN.

Související články
Společný vývoj průmyslového povlaku nové generace

Šumperská firma SHM získala vloni cenu Industrie v soutěži Česká hlava za výsledky vlastního výzkumu a vývoje v oblasti tvrdých tenkých vrstev. Těm se firma věnuje od svého vzniku před 25 lety. Současný vývojový tým vedený doktorem Vjačeslavem Sochorou spolupracuje s řadou veřejných výzkumných institucí a vysokých škol, včetně Masarykovy univerzity. S tou nyní firma pracuje na nové generaci průmyslových povlaků, které mají být nejen velmi tvrdé, ale zároveň i houževnaté.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vysokoteplotní kluzné vrstvy vanadu

Intenzifikace řezných procesů zvyšuje teplotu řezů. S tím souvisejí mimo jiné zvýšené nároky na tepelnou stabilitu použitých otěruvzdorných povlaků. Možným řešením je vývoj PVD povlaků s funkcí vysokoteplotních lubrikantů, které jsou schopny snížením koeficientů tření řezné teploty snižovat. K jedněm ze slibných a již studovaným systémům patří PVD vrstvy s přídavkem vanadu, které za vysokých teplot tvoří Magnéliho oxidické fáze se zmíněnou schopností. Velkým problémem je však trvanlivost těchto fází při mechanickém namáhání v průběhu obrábění. Příspěvek je věnován některým praktickým aspektům přípravy PVD vrstev CrVN a jejich vlastnostem.

Tak trochu jiný povlak

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.

Nový výkonný a univerzální PVD povlak

Povlak Bigaan byl uveden na trh již v roce 2018 a uplatňuje se hlavně při frézování ozubených kol do převodovek motorů. Letos společnost SHM představuje jeho druhou generaci, která kombinuje velmi tvrdý základ se závěrečnou kluznou vrstvou ve formě hexagonálního nitridu boru. Aplikační testy u zákazníků vykazují minimálně o 50 % lepší užitné vlastnosti v porovnání s běžně užívanými povlaky.

PVD dvojče pro náročné tváření a lisování

Vývoj nového PVD povlaku pro tváření se tentokrát ubíral docela nezvyklou cestou. Nešlo v principu o vývoj nového systému, ale o technologicky poměrně náročnou kombinaci stávajících povlaků s velmi odlišnými vlastnostmi a s odlišným způsobem depozice. Výsledkem je povlak, jehož chování v náročných tvářecích aplikacích příjemně překvapilo i samotné vývojáře. Výkon samostatných vrstev v těchto aplikacích byl nepřesvědčivý, významné navýšení životnosti tvářecích nástrojů však přineslo jejich spárování.

Povlaky ta-C
připravované magnetronovou depozicí

Diamantové vrstvy jsou svatým grálem otěruvzdorných povlaků připravovaných na řezné nástroje. Existuje řada různých technologií přípravy, v principu rozdělených do dvou skupin: je to technologie nízkoteplotní fyzikální a technologie vysokoteplotní chemická. V našem případě se jedná o fyzikální způsob přípravy vrstev obecně nazývaný jako technologie PVD. Technologie PVD se dále dělí na depozici pomocí nízkonapěťového oblouku a depozici pomocí magnetronového naprašování. Obě metody mají své výhody a svá úskalí.

Prestižní ocenění za vývoj PVD povlaků

„Česká hlava je největší projekt pro rozvoj české vědecké a technické inteligence, tedy té části společnosti, která bývá mnohdy upozaděná, ačkoliv na ní stojí prosperita naší země,“ stojí na webových stránkách soutěže, která vznikla před 18 lety a neoficiálně se jí také říká „česká nobelovka“.

Dokonalé povrchy řezných nástrojů

Leštění řezných hran nástrojů je čím dál žádanějším procesem v oblasti strojírenství. Stalo se již zřejmým faktem, že stav řezných hran má obrovský vliv na životnost nástroje a řeznou charakteristiku. Existuje dnes zajímavá alternativa dobře známým procesům, jako je broušení nebo tryskání. Je to úprava řezných hran pomocí vlečného omílání.

Nanokompozitný povlak 4. generácie - nACRo4

Počas technologického procesu, akým je rezanie, frézovanie, vŕtanie, tvárnenie atď., je dôležité ochrániť nástroj s kvalitným povlakom, pričom sa dosiahne zníženie opotrebenia a naopak zvýšenie životnosti samotného nástroja. V dnešnej dobe nanoštrukturované povlaky priťahujú pozornosť mnohých vedcov po celom svete z dôvodu syntetizovania materiálov s unikátnymi fyzikálno-chemickými vlastnosťami. Nanokompozitný povlak nACRo4 (nanokompozitná vrstva 4. generácie) sa skladá z nanokryštalických zŕn AlCrN, ktoré sú zabudované do amorfnej matrice Si3N4.

Zvýšení životnosti odvalovacích fréz

Odvalovací frézy jsou nástroje, které se používají při výrobě ozubení odvalováním. Jde o nejčastější způsob výroby ozubených kol, kdy se samotná fréza odvaluje po vnějším obvodu obráběného kola, které se pomalu otáčí. Zuby odvalovací frézy tak vytvářejí profil ozubení. Pro zajištění požadované přesnosti a kvality povrchu vyráběných ozubených kol při minimálních nákladech je nezbytné sledovat celý komplex výrobních parametrů. Kontrolovat je nutné zejména geometrii řezné hrany, drsnost povrchu a kvalitu povlaku na odvalovacích frézách.

Nástroje pro přesné a výkonné obrábění

Společnost WNT v nedávné době uvedla na trh celou řadu novinek v oblasti technologie obrábění, které mají pro své uživatele řešení pro svoji univerzálnost v použití, stabilitu procesu obrábění, ekonomičnost provozu a v neposlední řadě procesní spolehlivost.

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