Vysokoteplotní kluzné vrstvy vanadu

Dosažení a udržení nízké frikce za vysokých teplot v rozmezí 300 až 1 000 °C je stále aktuální a nedořešenou technickou výzvou. Velmi perspektivní se jeví použití pevných lubrikantů (solid lubricants). Nicméně i standardně rozšířené formy jako MoS2, h-BN, grafit, sloučeniny stříbra nebo měkkých kovů jsou již nad teplotami 500 °C neefektivní. Z literatury je známé pozitivní chování oxidů některých kovů, které se vytvářejí za vysokých teplot. Jejich přehled je v tab. 1.

Hlavními omezeními pevných lubrikantů na bázi oxidů jsou úzký teplotní interval tribooxidace vymezující jejich funkčnost, nutnost dosáhnout těchto teplot při současném mechanickém namáhání a následná životnost frikční vrstvy. Na řešení těchto omezení se zaměřuje současný vývoj frikčních PVD povlaků využívající kombinace zmíněných oxidotvorných prvků s dalšími „standardními“ prvky.

Jedním z možných konceptů je příprava vrstev s obsahem vanadu, který tvoří tribooxidací tzv. Magnéliho fáze. Některé z nich jsou navíc při teplotách nad 670 °C spojeny se vznikem kapalné fáze, která může být příčinou radikální změny tribologických vlastností, viz graf 1.

Graf 1. Fázový diagram VOx
Pro zvětšení klikněte na graf.

Článek se zabývá vývojem povlaku CrVN představujícího prvního zástupce z rodiny povlaků s vanadem v měřítku průmyslové výroby, vycházejícího z konceptu ověřeného CrN, který je znám svými dobrými frikčními vlastnostmi a otěruvzdorností.

Experiment byl založen na měření mikrotvrdosti, zkouškách vysokoteplotní oxidace a dále na laboratorní řezné zkoušce čelním soustružením, kterou navrhl a realizoval prof. M. Píška z VUT Brno. Zkoušky oxidace povlaků jsou provozně jednoduchou alternativou ke standardně používané termogravimetrii. Měření vysokoteplotní frikce a XRD nebyly zatím vzhledem k rozsahu experimentů použity.

Vrstva CrVN a její varianty byly připravovány na povlakovacím zařízení Pi311 technologií nízkonapěťového oblouku. Byly použity boční rotační chromové a vanadové katody v různých pozicích dle tab. 2 a obr. 1.

Byl zkoumán vliv poměru chromu a vanadu na tvrdost CrVN vrstvy za účelem dosažení maximální mechanické otěruvzdornosti. Vrstva vykazuje maxima tvrdostí v obou čistých formách CrN, resp. VN (graf 2). Vzhledem k záměru zkombinovat Cr a V není závislost tvrdosti na složení použitelná, a proto byly pro další testy zvoleny vzorky s různou stechiometrií.

Graf 2. Tvrdost CrVN dle složení
Pro zvětšení klikněte na graf.

Pravděpodobným limitem vanadových vrstev je rychlá degradace kapalných fází při mechanickém namáhání. Jednou z možných idejí, jak degradaci oddálit, je získat nespojitě rozptýlený VN v nosném povlaku. Strukturu vrstvy mohou ovlivnit pozice katod v povlakovací komoře a poměry proudů katod. Porovnání standardního rovnoměrného rozložení (levá část obrázku) se záměrně nehomogenní strukturou (část pravá) je zřejmé z výsledků simulací na obr. 2 a obr. 3.

Efekt „oddělení“ VN je výraznější pro uspořádání se třemi katodami. Domníváme se, že tato struktura může potlačit „sklouznutí“ částí vrstvy a zajistit postupné dávkování lubrikantu otevíráním kavit VN při otěru vrstvy.

Z tohoto pohledu se jeví jako velmi atraktivní struktura nanokrystalického kompozitu například v uspořádání nc-CrAlN + nc VN/a-Si3N4 nebo již publikovaný TiSiVN. Tyto povlaky budou předmětem dalšího vývoje.

Provozně velmi jednoduchou metodou rozlišení jednotlivých variant se ukázalo vysokoteplotní žíhání na vzduchu s následným posouzením povrchu a lomu vrstvy pomocí SEM a změření tloušťky zoxidované vrstvy kalotestem (obr. 4). Žíhání bylo prováděno s výdrží 60 min na teplotách 550 °C a 600 °C a 30 min při 650 °C a 700 °C. V grafu 3 jsou pro přehlednost použity přepočtené tloušťky na 60 min výdrže. Pro oxidaci byly zvoleny vzorky s různým obsahem vanadu podle tab. 2.

Při 550 °C shodně žádná z vrstev podle očekávání neprojevila měřitelnou oxidaci. Ale již při 600 °C vykázaly poměrně velkou oxidaci vzorky č. 177/CrV71N a 178/CrV32N. Při teplotě 650 °C pak byla zjištěna oxidace u všech vzorků. Při teplotě 700 °C je vzorek č. 177/CrV71N již zcela degradován v celém průřezu vrstvy. Pouze vzorek 178/CrV32N má potenciál pro teploty vyšší než 700 °C.

Graf 3. Oxidační stabilita CrVN
Pro zvětšení klikněte na graf.

Z výsledků lze usoudit na velmi úzký funkční teplotní interval v rozmezí 600–700 °C. Patrný je zanedbatelný vliv vzájemné pozice katod na oxidační stabilitu. Významná je závislost oxidační stability na obsahu vanadu. Se vzrůstajícím obsahem roste i rychlost vytváření oxidů, což je velmi podstatné z pohledu řízení vlastností povlaku pro různé aplikace.

Prof. M. Píška z VUT v Brně navrhl a provedl pro teplotní rozřazení vrstev vanadu zkoušku čelním soustružením. Jako zkušební byl použit materiál 12050.1 a vyměnitelné břitové destičky Pramet CCMT 09T304E-UR povlakované povlaky podle tab. 3. Byly vyhodnocovány řezné síly, povrch zkušebního materiálu po řezu a akustické projevy vzorků při řezu. Výsledky byly zohledněny ve stanovení kritické řezné rychlosti. Testy byly doplněny etalonovým povlakem TiAlN a povlakem TiAlN + CrVN ve struktuře TripleCoating. Princip a parametry řezné zkoušky jsou patrny z obr. 5. Průměr testovacího válce umožnil spojitou změnu rychlosti od 130 do 800 m.min^-1.

Z výsledků vyplývá vliv rostoucího obsahu vanadu na hodnoty kritické rychlosti a především nedostatečná odolnost samostatných vrstev CrVN oproti etalonu, pravděpodobně způsobená nižší tvrdostí, resp. otěruvzdorností. Obě varianty s TiAlN vykázaly odolnost vyšší než horní hranice navržené metodiky, přičemž z pohledu drsnosti obrobené plochy a chování v řezu byla lepší varianta TiAlN+CrVN.

Trend zvýšení kritické rychlosti s narůstajícím obsahem vanadu je v dobrém souladu se závěry experimentů s oxidací. Zkouška čelním soustružením je krátkodobá zkouška s velkou expozicí, při které jsou podle předpokladů nejlepší verze povlaků s rychlou tvorbou kluzných složek. Stejně jako oxidační test naznačila rovněž řezná zkouška potenciál a možnost řízení kluzných vlastností vrstev s vanadem pro praktické aplikace.

Graf. 4. Kritické řezné rychlosti

Je zřejmé, že funkčnost povlaku CrVN je podmíněna dosažením teploty tribooxidace, která se podle parametrů vrstvy pohybuje od 600 °C do 700 °C. Tato podmínka vymezuje okruh myslitelných aplikací.

Tlakové lití hliníku s výchozí teplotou taveniny okolo 650 °C patří mezi ně. Kluzná vrstva by měla snížit otěr nejexponovanějších míst proti vtokům a zároveň výrazně potlačit ulpívání taveniny. Otázkou je životnost konceptu, který je v současnosti testován ve spolupráci s firmou Kovolis Hedvikov, a. s. Pro testy byl použit koncept vrstev TripleCoatings s nosnou vrstvou CrAlSiN a horní vrstvou CrVN nanesené na jádro formy (obr. 6). Vzhledem k charakteru aplikace nebyly bohužel k datu příspěvku finální trvanlivostní výsledky k dispozici.

Velkou oblastí nasazení povlaků s vanadem je třískové obrábění. V současnosti probíhají rozsáhlé řezné zkoušky s dalšími variantami povlaků kombinující vanad. Nejlepší z nich budou v blízké budoucnosti nasazovány k ověření u zákazníků.

PVD vrstvy na bázi vanadu mají zřejmý potenciál pro průmyslové využití, což potvrdily výsledky testů s povlakem CrVN, kdy obsah vanadu významně ovlivňuje rychlost tvorby kluzných fází a následně i řezný výkon. Následující úsilí bude věnováno studiu dalších povlaků v kombinaci s vanadem, rozšíření funkčního teplotního rozsahu a finálnímu ověření u zákazníků. Širší komerční nasazení předpokládáme v druhém pololetí roku 2016.

Poděkování patří doc. T. Polcarovi z ČVUT v Praze za velmi přínosné diskuse, které nasměrovaly náš zájem do oblastí vysokoteplotních lubrikantů. Náš vděk bychom rádi vyjádřili prof. M. Píškovi z VUT v Brně za návrh a realizaci řezné zkoušky čelním soustružením. Děkujeme rovněž Ing. M. Palečkové z Kovolisu Hedvikov za zajištění zkoušek tlakového lití.

SHM

Mojmír Jílek, Michal Šíma, Ondřej Zindulka

palouskova@shm-cz.cz

www.shm-cz.cz