HiPIMS - technologie pro tvorbu odolných povlaků

HiPIMS - the technology for production of resistant coatings

článek v časopise - ostatní, Jost

cs

V dentální chirurgii používaný amalgám vynalezli kolem roku 1370 Arabové a po staletí ovládli umění účinně vyspravovat zubní dutiny. Smíchaná pasta stříbra a rtuti dobře vyplňovala zub a ztuhla do potřebného tvaru, během tuhnutí nabývala na objemu a bránila tak průniku baktérií. Podobné principy vyplnění různých materiálových vrubů jsou vysoce ceněny i dnes, protože tyto ostré vruby bývají nukleačním místem řady trhlin, koroze a v případě tahové napjatosti vedou k rozevření boků trhlin a lomovému porušení namáhaných dílců. Vyplnit ostré vruby určitým materiálem, zajistit adhezi k původnímu materiálu, nezpůsobit změnu fází či extrémní zhrubnutí zrna (například svarovým spojem) není jednoduché. Zvláště u křehkých materiálů, které jsou na vruby citlivé, neboť neumí tlumit lokální špičková napětí plastickou deformací na špici trhlin. Povrchové napětí a kapilární jevy u jiných technologií brání částicím materiálu v průniku do větších hloubek. Podobně je tomu u nejrůznějších metod nástřiku materiálů. Galvanické metody pokovení nanáší zpravidla materiály s jiným chemickým složením a odlišnými mechanickými vlastnostmi. Proto se nabízí moderní metody povlakování, založené zvláště na fyzikálních metodách povlakování – tzv. PVD, nanášející vrstvy na atomární úrovni. Metody založené na obloukovém napařování však zpravidla nelze využít, protože oblouk se vytváří zejména na povrchu vodivého tělesa, s nejvyšší hustotou na ostrých hranách. Takto se mohou vytvořit krystalizační jádra na okrajích povrchové trhliny a v těchto místech může dojít k přednostní krystalizaci (tzv. „antenna effect“), trhlina se překlene, ale nevyplní. Dále hrozí možnost snadného odlomení tohoto místa při prvním zatížení součásti a vytvoření nové, drsné lomové plochy. Na lomové ploše se zpravidla začne ihned tvořit nárůstek, který začne měnit rozměry tvářených či obráběných součástí, zarývat se do povrchu, odlamovat, zhoršovat integritu povrchu atd. Účinnou metodou se stává magnetronové naprašování, které spočívá v odprašování materiálu z pevného targetu kladnými ionty v plazmě a následné kondenzaci těchto částic na povrchu materiálu. Pokud se navíc použije tzv. HiPIMS technologie (High Power Impulse Magnetron Sputtering, tzn. vysokovýkonné impulsní magnetronové naprašování), pak mohou částice získat vysokou energii 10 kW/cm2 při extrémních hustotách plasmy až 1013 iontů⋅cm−3, v krátkých impulzech v čase několika mikrosekund. Takto lze docílit mimořádné pronikavosti částic do hloubek až několika desítek milimetrů do povlakovaných dílců a zcela vyplnit i velmi jemné povrchové vrypy. Tato technologie má za následek tvorbu strukturně velmi jemných, ale tvrdých vrstev, které chrání například povlakované nástroje proti abrazivnímu opotřebení, přenosu tepla z tvářeného místa a snižuje tření v místě kontaktu s tvářeným materiálem. To se osvědčuje pro celou řadu aplikací u tvářecích nástrojů i u řezných nástrojů, zvláště povrchově členitých, kde lze očekávat stínicí efekt jiných břitů. Vysoká schopnost ukotvení povlaku pak brání jeho delaminaci a prodlužuje trvanlivost nástroje až několikanásobně, v ojedinělých případech až téměř 20x. U řezných nástrojů dochází k zaoblení ostří průměrně o 140-200% , přičemž relativně vyšších přírůstků zaoblení se dosahuje u ostřejších břitů. Vyšší zaoblení v důsledku tvorby ochranné vrstvy zvyšuje mírně posuvovou sílu, ale tento přírůstek činí v celkovém řezném příkonu hodnoty než 1 % v důsledku nižší posuvové rychlosti, a naopak vede ke zpevnění obrobeného povrchu.

V dentální chirurgii používaný amalgám vynalezli kolem roku 1370 Arabové a po staletí ovládli umění účinně vyspravovat zubní dutiny. Smíchaná pasta stříbra a rtuti dobře vyplňovala zub a ztuhla do potřebného tvaru, během tuhnutí nabývala na objemu a bránila tak průniku baktérií. Podobné principy vyplnění různých materiálových vrubů jsou vysoce ceněny i dnes, protože tyto ostré vruby bývají nukleačním místem řady trhlin, koroze a v případě tahové napjatosti vedou k rozevření boků trhlin a lomovému porušení namáhaných dílců. Vyplnit ostré vruby určitým materiálem, zajistit adhezi k původnímu materiálu, nezpůsobit změnu fází či extrémní zhrubnutí zrna (například svarovým spojem) není jednoduché. Zvláště u křehkých materiálů, které jsou na vruby citlivé, neboť neumí tlumit lokální špičková napětí plastickou deformací na špici trhlin. Povrchové napětí a kapilární jevy u jiných technologií brání částicím materiálu v průniku do větších hloubek. Podobně je tomu u nejrůznějších metod nástřiku materiálů. Galvanické metody pokovení nanáší zpravidla materiály s jiným chemickým složením a odlišnými mechanickými vlastnostmi. Proto se nabízí moderní metody povlakování, založené zvláště na fyzikálních metodách povlakování – tzv. PVD, nanášející vrstvy na atomární úrovni. Metody založené na obloukovém napařování však zpravidla nelze využít, protože oblouk se vytváří zejména na povrchu vodivého tělesa, s nejvyšší hustotou na ostrých hranách. Takto se mohou vytvořit krystalizační jádra na okrajích povrchové trhliny a v těchto místech může dojít k přednostní krystalizaci (tzv. „antenna effect“), trhlina se překlene, ale nevyplní. Dále hrozí možnost snadného odlomení tohoto místa při prvním zatížení součásti a vytvoření nové, drsné lomové plochy. Na lomové ploše se zpravidla začne ihned tvořit nárůstek, který začne měnit rozměry tvářených či obráběných součástí, zarývat se do povrchu, odlamovat, zhoršovat integritu povrchu atd. Účinnou metodou se stává magnetronové naprašování, které spočívá v odprašování materiálu z pevného targetu kladnými ionty v plazmě a následné kondenzaci těchto částic na povrchu materiálu. Pokud se navíc použije tzv. HiPIMS technologie (High Power Impulse Magnetron Sputtering, tzn. vysokovýkonné impulsní magnetronové naprašování), pak mohou částice získat vysokou energii 10 kW/cm2 při extrémních hustotách plasmy až 1013 iontů⋅cm−3, v krátkých impulzech v čase několika mikrosekund. Takto lze docílit mimořádné pronikavosti částic do hloubek až několika desítek milimetrů do povlakovaných dílců a zcela vyplnit i velmi jemné povrchové vrypy. Tato technologie má za následek tvorbu strukturně velmi jemných, ale tvrdých vrstev, které chrání například povlakované nástroje proti abrazivnímu opotřebení, přenosu tepla z tvářeného místa a snižuje tření v místě kontaktu s tvářeným materiálem. To se osvědčuje pro celou řadu aplikací u tvářecích nástrojů i u řezných nástrojů, zvláště povrchově členitých, kde lze očekávat stínicí efekt jiných břitů. Vysoká schopnost ukotvení povlaku pak brání jeho delaminaci a prodlužuje trvanlivost nástroje až několikanásobně, v ojedinělých případech až téměř 20x. U řezných nástrojů dochází k zaoblení ostří průměrně o 140-200% , přičemž relativně vyšších přírůstků zaoblení se dosahuje u ostřejších břitů. Vyšší zaoblení v důsledku tvorby ochranné vrstvy zvyšuje mírně posuvovou sílu, ale tento přírůstek činí v celkovém řezném příkonu hodnoty než 1 % v důsledku nižší posuvové rychlosti, a naopak vede ke zpevnění obrobeného povrchu.

malgam used in dental surgery was invented around 1370 by the Arabs and for centuries they mastered the art of effectively filling dental cavities. The mixed paste of silver and mercury filled the tooth well and solidified into the required shape, gaining volume during solidification and thus preventing the penetration of bacteria. Similar principles of filling various material notches are highly valued even today, because these sharp notches tend to be the nucleation site of a number of cracks, corrosion and, in the case of tensile stress, lead to the opening of the sides of the cracks and fracture failure of stressed parts. It is not easy to fill sharp indentations with a certain material, to ensure adhesion to the original material, not to cause a phase change or extreme coarsening of the grain (for example by welding). Especially for brittle materials that are sensitive to notches, as they cannot dampen local peak stresses by plastic deformation at the tip of the cracks. Surface tension and capillary phenomena in other technologies prevent material particles from penetrating to greater depths. The same is true for various methods of spraying materials. Galvanic plating methods usually apply materials with a different chemical composition and different mechanical properties. That is why modern coating methods are offered, based in particular on physical coating methods – the so-called PVD, applying layers at the atomic level. However, methods based on arc vaporization cannot be used as a rule, because the arc is created mainly on the surface of the conductive body, with the highest density on the sharp edges. In this way, crystallization nuclei can be formed at the edges of the surface crack, and preferential crystallization can occur in these places (the so-called "antenna effect"), the crack is bridged, but not filled. Furthermore, there is a possibility that this place will easily break off during the first loading of the component and create a new, rough fracture surface. As a rule, an increase immediately begins to form on the fracture surface, which begins to change the dimensions of the formed or machined parts, digs into the surface, breaks off, deteriorates the integrity of the surface, etc. Magnetron sputtering, which consists in dusting the material from a solid target with positive ions in a plasma, becomes an effective method and subsequent condensation of these particles on the surface of the material. If, in addition, so-called HiPIMS technology (High Power Impulse Magnetron Sputtering) is used, then the particles can obtain a high energy of 10 kW/cm2 at extreme plasma densities of up to 1013 ions⋅cm−3, in short pulses in time a few microseconds. In this way, it is possible to achieve extraordinary penetration of particles to depths of up to several tens of millimeters into coated parts and completely fill even very fine surface scratches. This technology results in the formation of structurally very fine, but hard layers that protect, for example, coated tools against abrasive wear, heat transfer from the molded area and reduces friction at the point of contact with the molded material. This is proven for a wide range of applications in forming tools as well as in cutting tools, especially surface-disrupted ones, where the shadowing effect of other cutting edges can be expected. The high anchoring ability of the coating then prevents its delamination and extends the durability of the tool up to several times, in rare cases up to almost 20 times. For cutting tools, the edge is rounded by an average of 140-200%, while relatively higher increases in rounding are achieved with sharper edges. A higher rounding due to the formation of a protective layer slightly increases the feed force, but this increase amounts to less than 1% in the total cutting power due to a lower feed rate, and on the contrary leads to a hardening of the machined surface.

PVD; povlak; povrch; obrábění

PVD; coating; surface; cutting

18.12.2023

MM publishing

Praha

1212-2572

2023

5

16–17

2