Nová průmyslová technologie povlakování

TRENDY POVRCHOVÉ ÚPRAVY
Nová průmyslová technologie
povlakování
Není pochyb o tom, že PVD vrstvy na bázi (Ti, Al)N mají v posledních letech dominantní postavení
na trhu s řeznými nástroji určenými pro vysoce výkonné obrábění.
Současný vývojový trend v oblasti
AlTiN vrstev a nanovrstev bude
doplňován nebo i nahrazen vývojem a použitím nanokompozitních
vrstev. V tomto článku je představena nová povlakovací technologie, nazvaná LARC (Lateral Rotating ARC-Cathodes, v překladu
boční rotující oblouková katoda),
a především zařízení umožňující
provoz této technologie. Díky
němu je totiž možné připravovat
nanokompozitní a nanostrukturované vrstvy i v malých a středních
firmách z oblasti výroby nebo užití nástrojů pro produktivní obrábění.
Povlakované nástroje
V závislosti na tom, které statistice věříte, je podíl PVD vrstev
na bázi (Ti, Al)N na trhu s povlakovanými nástroji pro vysoce produktivní obrábění mezi 25 % až
55 %. Důvodů pro tak vysoký podíl je mnoho:
– velmi vysoká tvrdost kolem 25
až 38 GPa při relativně nízkém
zbytkovém napětí vrstev mezi
–3 až –5 GPa;
– vysoká odolnost vůči teplotě
– ztráta tvrdosti pouze 30 až 40
% při teplotách kolem 800 °C;
– vysoká odolnost proti oxidaci
při vysokých teplotách – pracovní teploty jsou až 850 °C
proti 400 °C u TiCN, resp. 550 °C
u TiN vrstev;
48
– nízká tepelná vodivost – ve
srovnání s konvenčními TiN
vrstvami až o 30 % nižší.
Vývoj vrstev na bázi (Ti, Al)N
však neustrnul na úrovni jednoduchých systémů. Existuje rozsáhlá řada velmi moderních řešení
kombinujících různé poměry Ti : Al,
využívajících výhod multivrstevného uspořádání a zaměřených
na využití výhod různých technologií přípravy PVD vrstev včetně
doplňkových prvků ve struktuře:
– kombinace obloukového napařování a magnetronového naprašování;
– filtrace makročástic u obloukových technologií;
– optimalizace povlakovacích
parametrů, které ovlivňují výsledné vlastnosti vrstvy i při
stejném složení;
– optimalizace krystalické struktury vrstev, která má zásadní
vliv na korozivní vlastnosti
a odolnost vůči oxidaci;
– přidání některých prvků do
struktury vrstev pro zlepšení
oxidačních vlastností, zjemnění struktury, zlepšení adheze
atd. – Cr, Y, Zr, V, Hf, B, Si atd.
V současné době je nejpopulárnější rozvoj (Ti, Al)N systémů
s vysokým obsahem Al pro zlepšení odolnosti vůči oxidaci za vysokých teplot a tzv. nanovrstev
s vysokou houževnatostí.
Nanostrukturní vrstvy
podmínek by např. při obsahu Al
asi 70 % byla struktura hexagonální. Přitom pouze kubická struktura (Al, Ti)N představuje tvrdou,
a tedy otěruvzdornou vrstvu.
Dosažení takových nanovrstev
je možné jen při synchronizaci
procesu nanášení tvrdých vrstev
a rotace povlakovaných nástrojů.
Většina současných povlakovacích zařízení ovšem ani v tomto
případě neumožňuje připravit nanovrstvy na nástroje s různými rozměry a tvarem. Navíc uspořádání
elektrod, ze kterých se odpařují,
resp. odprašují základní prvky tvořící vrstvu, neumožňuje změnu
složení vrstev během jednoho procesu, což opět omezuje využití
výhodných vlastností nanovrstev
s gradientním složením.
jsou pro přípravu vrstev s vysokou
tvrdostí a oxidační odolností limitována. Jednak pro praktické výrobní účely neumožňují přípravu
nanovrstev pro rozdílné geometrie nástrojů. Za druhé je fyzikálně
limitován obsah hliníku a tato fyzikální bariéra může být překonána pouze novým řešením – a tím
jsou nanokompozitní vrstvy.
Nanokompozitní
vrstvy
Nanokrystalický kompozit je materiál tvořený dvěma nebo více
složkami, které jsou vzájemně nerozpustné, přitom alespoň jedna
složka musí být krystalická. Malá
zrnitost má příznivý vliv na tvrdost.
Jedná se o termodynamicky sta-
Nanovrstvy a AlTiN
vrstvy
Idea vytváření nanovrstev, tedy
vrstev tvořených soustavou velmi tenkých vrstev s tloušEkami
odpovídajícími atomárním mřížkám, je obecně motivována vlastnostmi multivrstev. Pokud se dodrží podmínka přesné a konkrétní
tloušEky jednotlivých vrstviček,
ovlivní se krystalografická struktura vrstev a dosáhne se výrazně
zvýšené tvrdosti vrstvy. Potom lze
připravit i vrstvy (Al, Ti)N s vysokým obsahem Al s kubickou
mřížkou, přestože za normálních
Průmyslové spektrum • 4/2003
Nanokompozitní struktura
Vedoucí výrobci povlakovacích
zařízení se snaží zvýšit obsah hliníku ve vrstvách (Ti, Al)N kvůli zvýšení odolnosti vůči oxidaci. Přitom
jsou limitováni maximálním obsahem 70 % Al, protože větší podíl
způsobuje hexagonální strukturu,
pro obrábění nevhodnou.
Z obou zmíněných faktů plyne, že běžná povlakovací zařízení
bilní materiály, a to i z hlediska zrnitosti – nedochází k růstu zrn i při
teplotách nad 1000 °C. Hranice
zrn slouží jako efektivní bariéra
proti šíření poruch – tím je dána
vysoká tvrdost těchto materiálů.
Příkladem jsou vrstvy (Ti, Al, Si)N,
které tvoří nanokrystaly (Ti, Al)N
s velikostí kolem 5 nm, umístěné
v amorfní matrici Si3N4.
POVRCHOVÉ ÚPRAVY TRENDY
Tvrdost těchto komerčně vyráběných materiálů dosahuje 40
až 50 GPa a její hodnoty jsou
zachovány až do teplot 1100 °C.
manentního magnetu a elektromagnetické cívky. Materiál je díky
rotaci elektrod rovnoměrně odpařován z celého povrchu. Díky to-
Díky optimálnímu využití prostoru s válcovými, rotačními katodami umístěnými na straně povlakovací komory lze získat multinebo nanovrstevné struktury
v jednom zařízení a procesu.
Zásluhou válcového tvaru je
dosaženo maximální efektivní šířky targetu – d x π.
Velikost povlakovacího
zařízení
Povlakovací zařízení π80
Takové vrstvy je však možné připravit jen za zcela specifických
podmínek, které jsou předmětem
patentových přihlášek a jsou
umožněny díky novému povlakovacímu systému využívajícímu
technologii LARC.
Technologie LARC
Aby bylo možné připravit nanokompozitní vrstvu kombinací různých materiálů nanášených z více
targetů, musí zařízení splňovat
tyto základní podmínky:
– targety odpařovaného materiálu musí být v těsné blízkosti;
– ionizace plazmatu musí být
vysoká.
Tento problém optimálně řeší
technologie používající rotační
elektrody. Jenom u tohoto typu
elektrod lze rozumným způsobem
pracovat s vysokým magnetickým
polem, které zajistí vysokou ionizaci plazmatu a zároveň lze odpařované elektrody umístit do těsné blízkosti.
Protože doposud známé technologie splňovaly tyto podmínky
vždy jen částečně, bylo nutné vyvinout zcela nové povlakovací zařízení. Tento vývoj proběhl ve spolupráci švýcarské firmy PLATIT AG
a české firmy SHM, s. r. o., v několika posledních letech. Výsledkem
je nová technologie LARC uplatněná na zařízení π80, nabízeném
na světovém trhu firmou PLATIT
od konce roku 2002.
Jako zdroj odpařovaného materiálu slouží dvě rotační elektrody umístěné těsně vedle sebe – při
použití planárních elektrod by
odpovídající odpařovací systém
zabíral zhruba třikrát více místa
a nedocházelo by k promíchání
obou složek vrstvy. Magnetické
pole je vytvářeno kombinací per-
mu lze odpařovat materiál v silném magnetickém poli, což zajistí vysokou ionizaci plazmatu
a nízký počet makročástic – planární elektrody mají v silném
magnetickém poli nesrovnatelně
nižší životnost. Konstrukce elektrod umožňuje navíc originální
způsob čištění elektrod před vlastním procesem pomocí tzv. virtuální uzávěrky (Virtual Shutter).
Přínosy technologie
Nejvýznamnější výhody, které
technologie LARC přináší, jsou
odvozeny od rotujících katod
a jejich vzájemně blízké pozice
a lze je stručně shrnout takto:
Optimální adheze s použitím
virtuální závěrky je umožněna díky
otočnému magnetickému poli bez
citlivých mechanických částí,
rychlému čištění targetů mimo
povlakované substráty a čisté depozici materiálu targetu na substrát od samého počátku procesu.
Jemný povrch povlaku s minimalizovaným obsahem makročástic je dosažen díky rychlému
pohybu katodové skvrny, umožněnému vysokým magnetickým
polem a rotací elektrod a také rovnoměrné erozi odpařovaných targetů.
Příprava nanokompozitních
vrstev je možná vysokou ionizací
plazmatu s vysokou intenzitou
magnetického pole a vytvořením
dvou fází, např. nc- (TiAl)N/a-Si3N4
nebo nc- TiN/a-Si3N4.
Programovatelná stechiometrie povlaků zase umožňuje gradientní vrstvy s proměnným složením, a tím kombinaci různých
typů vrstev – to vše bez nutnosti
výměny targetů během procesu
a s použitím levných typů targetů, např. Ti, Al, AlSi atd.
Zařízení LARC bylo navrženo jako
velmi kompaktní, vymykající se
velikostem používaným velkými
V malých zařízeních není třeba
povlakovat (např. z ekonomických
důvodů) nástroje s velmi rozdílnými geometriemi. Rozdělení do
menších vsázek je u menšího zařízení snazší a proces lze „šít na
míru“ typu nástrojů ve vsázce.
Více menších zařízení není
méně produktivním řešením než
jedno velké! Ve skutečnosti jsou
mnohem pružnější a nabízejí rozmanitější služby.
Zbývá ještě podotknout, že
tento segment zařízení je na trhu
opomíjen také proto, že zisk z výroby menších zařízení je menší
Řezy gradientním a multivrstevným povlakem
výrobci nástrojů. Shrňme některé
důvody, které k tomu autory π80
vedly:
Povlakování by nemělo být privilegiem pouze velkých povlakovacích center a velkých výrobců
nástrojů. Malé a střední podniky
by měly mít možnost připravovat
moderní vrstvy vlastními silami
pro své nástroje.
Nové vrstvy neodsunou stávající (Ti, Al)N apod. vrstvy ihned
do pozadí. Trh musí nejprve využít stávající povlakovací kapacity,
které ovšem neumožňují přípravu nových nanokompozitních
a nanostrukturovaných vrstev.
Proto se nové vrstvy budou dostávat na trh pozvolna.
Menší provedení zařízení umožňuje získat potřebnou zkušenost
pro snadnější zvýšení objemu nových verzí povlakovacích zařízení
s využitím všech předností nové
konstrukce.
než z výroby větších. To je dlouhodobá zkušenost a odráží se
v nabídce většiny výrobců.
Rozvojový potenciál
Při uvádění novinky na trh je zvykem, že produkt vykazuje vyšší
výkon při lepších parametrech ve
srovnání s konkurencí a je případně levnější. Za výsledkem vždy
stojí dlouhodobější úsilí. V našem
případě nebylo úsilí menší, ale výsledky dosažené během velmi
krátké doby vývoje vhodných nanokompozitních vrstev pomocí
technologie LARC ukazují na obrovský potenciál těchto nových
vrstev. Výsledky, které prezentujeme nyní, budou brzy velmi pravděpodobně překonány dalšími
výraznými zlepšeními.
M. Jílek, P. Holubář,
T. Cselle, M. Morstein
Vrtání materiálu X155 CrVMo 12-1 DIN 1.2379
Průmyslové spektrum • 4/2003
49