Témata
Reklama

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.

Nový název Bigaan je možné z jazyka indiánského kmene Navajo přeložit jako čepel, ostří, ale také jako borovou větev. Je to náhoda, nebo tento název čekal ukryt do doby, kdy mu někdo najde vhodný objekt?

Reklama
Reklama
Reklama

PVD technologie SHM

Nízkonapěťový oblouk se ve světě využívá již od 70. let minulého století k depozicím nitridů přechodových kovů jako povrchové úpravy řezných a tvářecích nástrojů. V oblasti aplikací na řezné nástroje je nejrozšířenější technologií a její řízení není nikterak náročné. Mezi její hlavní výhody patří vysoký stupeň ionizace generovaných částic. Díky tomu lze snadno modifikovat strukturu povlaku změnou urychlovacího předpětí na vzorcích. Nízkonapěťový oblouk hoří za nízkých tlaků a průchodem proudu řádově stovky ampér na katodě dochází k intenzivnímu ohřevu materiálu na teplotu více než 10 000 °C. Díky této vysoké teplotě se materiál taví a odpařuje do prostoru depoziční komory, kde posléze kondenzuje na povrchu nástrojů a vytváří stabilní nitridy s vlastnostmi, které nejsou v přírodě běžné.

Některé materiály však mají nízkou elektrickou vodivost nebo vysoký bod tání, a proto nejsou vhodné jako terče pro obloukové napařování. Jedná se o keramické terče, mezi něž patří karbidy, boridy a některé oxidy. Přesto se i tyto terče používají pro depozice, a to pomocí magnetronového naprašování, kdy se povrch netaví, ale jednotlivé atomy se vyrážejí z povrchu terče po srážce s ionty pracovních plynů.

Schéma patentované magnetronové katody, na které je vidět bronzový nosič, měděná fólie a segmenty terče.

Souběh oblouku a magnetronu

Souběhem těchto dvou odlišných technologií lze zajistit zabudování boru odprášeného z keramické magnetronové katody do vrstvy AlCrN odpařované z obloukových katod. Souběh technologií umožňují PVD zařízení typu Pi411, ale pro odprašování boru musel být v SHM vyvinut nový typ magnetronové katody. Jedná se o patentem chráněnou konstrukci katody, která má nově bronzový nosič s napájenou tenkou měděnou fólií, na němž jsou posazeny segmentové prstence, viz obr. 1. Měděná fólie zajistí rychlý a dokonalý přenos tepla do chladicí kapaliny a v důsledku umožní použití vysokých výkonů během odprašování.

Snímek povlaku z elektronového mikroskopu, kde světlé oblasti odpovídají prvkům s vysokým atomárním číslem.

Vlastnosti povlaku Bigaan

Samotný povlak AlCrN připravený nízkonapěťovým obloukem má vynikající mechanické vlastnosti – ať už se jedná o vysokou tvrdost a nízké vnitřní napětí, nebo o vysokou tepelnou stabilitu. Přítomnost boru v povlaku jeho kvalitu ještě zvyšuje. Z makroskopického pohledu jde o monovrstvu s adhezní částí. Při podrobné analýze pomocí elektronového mikroskopu (obr. 2) a rentgenové difrakce lze prokázat, že povlaky Bigaan představují nanokompozitní vrstevnatou strukturu se zvýšenou tvrdostí (ze 40 na 50 GPa, měřeno pomocí Fischerscopu s Vickersovým hrotem) a sníženou velikostí krystalů (z 25 na 10 nm).

Porovnání životnosti

Zlepšené užitné vlastnosti povlaku byly prokázány řeznými zkouškami, kde Bigaan dosahoval vyšší životnosti oproti špičkovým povlakům TripleCoating Si a TripleCoating Cr, viz obr. 3. Nový super tvrdý povlak je vhodný pro frézování, vystružování, pro odvalovací frézy, k obrábění nerezu, houževnatých a těžkoobrobitelných materiálů.

SHM

Vjačeslav Sochora, Mojmír Jílek

sochora@shm-cz.cz

www.shm-cz.cz

Reklama
Související články
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.

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.

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.

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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

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.

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.

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“.

Zvyšování efektivity soustružení

Jediným časem, kdy při obrábění dochází ke "skutečnému vytváření přidané hodnoty", zejména v případě operací využívaných ve velkosériové výrobě, jako např. při obrábění součástí hnacích ústrojí motorových vozidel, je čas v řezu. U všech soustružnických operací zde cestu ke zvýšení efektivity a snížení cen představuje optimalizace a automatizace. Produktivní obrábění součástí hnacích ústrojí v měkkém stavu, při současném dodržení požadavků na konzistentní kvalitu, je mimořádně náročné a vyžaduje extrémní konkurenceschopnost. Obrábění hřídelí, ozubených kol, objímek, pouzder, kroužků, pastorků nebo ložisek vyráběných z různých typů materiálů vyžaduje použití různých typů soustruhů a různých časů v řezu, přesto však mají prostředky umožňující zvýšení výkonnosti mnoho společného.

Povlak na bázi AlCrN zvyšuje trvanlivost fréz čtyřnásobně

Výroba součástí řídicího ústrojů automobilů klade na obrábění vysoké nároky. Při použití povlaku na bázi AlCrN u válcových fréz a protahováků se dosáhlo dvou- až čtyřnásobné zvýšení trvanlivosti břitu. Čímž se rovněž zkrátily časy na výměnu nástrojů.

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.

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