Pdf pdf

nOVÝ SeGMenTOVanÝ
nanOKOMPOziTnÍ POVlaK
Ing. Ondřej Zindulka
SHM
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.
Obrábění | www.mmspektrum.com/150918
jené s vysokými proudy katod je tudíž materiál
TiSi15 mnohem vhodnější. Výsledné parametry umožňují připravit vrstvu TiSin s rychlostí
růstu více než 1 µm.hod –1 pro tříosou rotaci
vzorků a s přijatelnou drsností ra pod 0,1 µm/µm
tloušky vrstvy.
Již první za standardních podmínek nadeponované vrstvy ukázaly, že povlak TiSin je
zatížen mimořádně velkým vnitřním napětím,
které vedlo až k autodestrukci vrstvy při větších tlouškách. Ve snaze snížit napětí byl studován vliv depoziční teploty, tlaku a předpětí
na vzorcích. Teplota nad 550 °c a předpětí
pod 30 V vedly k očekávanému snížení napětí
a zlepšení konzistence vrstvy. Výrazný vliv
tlaku na zbytkové vnitřní napětí se neprojevil.
Jak již samotný název naznačuje, novinka patří
do rodiny Triplecoating povlaků a s úspěchem rozvíjí základní ideu segmentovaných
povlaků. Úzce navazuje na architekturu již
zavedeného povlaku Triplecoating cr, přičemž jako ověřené jádro je ponechána optimalizovaná vrstva alTin a funkční povrchová
vrstva cralSin je nahrazena vrstvou TiSin.
Vrstva TiSin posouvá širokou univerzálnost
původního povlaku Triplecoating cr směrem
k aplikacím s vysokou řeznou teplotou.
a tvaru magnetických polí katod, byl ověřen
optimální tlak, předpětí na vzorcích a depoziční teplota.
z pohledu technologie nízkonapěového
oblouku se ukázal slitinový materiál TiSi oproti
jiným targetům poměrně komplikovaný. Katodová skvrna je při použití standardních parametrů při vyšších proudech velmi nestabilní.
Materiál TiSi20 je přitom mnohem náročnější
na odpaření než materiál TiSi15. Vzhledem
k podmínce vysoké rychlosti růstu vrstvy spo-
Obr. 1. Konfigurace targetů povlakovacího
zařízení Pi 411 použitá pro testy TripleCoating SI
Obr. 2. Kaloty TiSiN s vysokým a optimalizovaným sníženým vnitřním
zbytkovým napětím
Vrstva TiSin je známá jako průkopnický
nanokompozit s vynikajícími vlastnostmi již od
90. let (S. Z. Li, Y. Shi, H. Peng, Plasma Chem.
Plasma Process. 12 (1992) 287). Jejímu většímu průmyslovému využití bránil způsob
přípravy využívající technologii PacVD při
nedostupnosti slitinových targetů. Situace se
změnila s jejich nabídkou v posledních letech,
kdy se na trhu objevily targety TiSi s 15, 20
a 25 atomovými procenty Si, odpovídající
složením požadavku maximální tvrdosti nc-Tin/a-Si3n4. Vývoj povlaku byl zaměřen především na optimalizaci depozičních parametrů a struktury, obsahu křemíku a tloušky ve
vztahu k řezným výkonům.
Experiment, optimalizace
Povlak Triplecoating Si byl vyvíjen na povlakovacím zařízení Pi311, resp. Pi411. Vrstva je
připravována technologií nízkonapěového
oblouku v konfiguraci podle obr. 1 z targetů Ti, al a TiSi 15 at. %, resp. 20 at. %.
experimenty byly zahájeny nalezením stabilních podmínek odpařování targetů TiSi s 15
a 20 at. %. Byly nalezeny kombinace proudů
15, nebo 20 at. % křemíku?
V literatuře (např. Limits to the preparation of
superhard nanocomposites: Impurities, deposition and annealing temperature, S. Veprek,
M. G. J. Veprek-Heijman, Thin Solid Films 522
(2012) 274–282) je uváděn optimální obsah
Si pro maximální tvrdost v rozmezí 10–20 at. %
Si. zdrojem křemíku vrstvy je křemík v targetu, použití SiH4 jsme z praktických důvodů
Obr. 3. Indentační křivka TripleCoating SI z Fischerscope HP100
Obr. 4. Rockwellův vtisk v rámci Mercedes
testu vyhodnocení adheze a koheze
Obr. 5. Scratch stopa
vedená přes kalotu
2015 | 9 |
PrŮMYSlOVÉ SPeKTrUM | 105
vyloučili. rovněž použití katody Ti pro řízení/
snížení obsahu křemíku ve vrstvě je vzhledem
k vzájemné pozici Ti a TiSi katod v povlakovací komoře spojeno v tomto případě s nevýhodnou tvorbou nanomonovrstev Tin. Ověření závislosti tvrdosti na obsahu křemíku se
tedy omezilo pouze na dva obsahy křemíku
z katod TiSi 15 a TiSi 20 at. %. Hodnoty plas-
a
b
c
d
Obr. 6. Struktura povlaku v kalotě;
a – nanokompozitní vrstva TiSiN, b – AlTiN jádro,
c – adhezní vrstvy, d – substrát
Přehled vlastností povrchových vrstev povlaků TripleCoating Cr a TripleCoating SI
Složení at. %
Vrstva
Ti
Jádro – AlTiN
59,8
Top – TiSiN
85,2
Top – CrAlTiSiN
31,1
cr
al
Si
16,7
45,6
GPa
nm
nm
Tvrdost
HUpl
GPa
14,8
–2,5
0,424
19,0
48,6
6,6
–0,1
0,412
9,0
39,9
tické tvrdosti HUpl 49,8 GPa a 48,6 GPa byly
vyšší pro obsah křemíku 20 at. %. rozdíl je
natolik zanedbatelný, že pro další testy a standardní výrobu byl zvolen target TiSi 15, který
vykazuje lepší stabilitu při hoření nízkonapěového oblouku. Měření tvrdosti bylo realizováno na vlastním nanoindentoru Fischerscope HP100 (obr. 3).
Ověření koheze k AlTi jádru
Po optimalizaci samotné TiSin vrstvy bylo
nezbytné zajistit kohezi k alTin jádru. Potřebnou soudržnost zajistil gradientní přechod hodnot depozičních parametrů mezi alTin a TiSin.
Pro vyhodnocení byl použit standardní Mercedes test a doplňkově scratch test s vizualizací
kalotou. Výsledky jsou zřejmé z obr. 4 a 5.
Vlastnosti povlaku TripleCoating SI
Struktura, složení
Triplecoating Si je vícevrstevný segmentovaný
povlak kombinující alTi vrstvu v jádru a TiSin
vrstvu na povrchu (obr. 6). Tlouška obou částí
je přibližně shodná, celková tlouška vrstvy
deponované na osové nástroje se pohybuje
okolo standardních 2 µm. Vliv poměru tlouštěk
obou částí na řezivost nebyl studován, koncept
byl převzat z již zavedeného povlaku Triplecoating cr. Provedený eDX line scan kaloty
vrstvy ukazuje spojité změny složení od alTin
k TiSin (obr. 7). Složení obou částí a srovnání s Triplecoating cr je uvedeno v tabulce.
Měření proběhla na mikroskopu Tescan Vega
lMH a eDX sondě Oxford.
PrŮMYSlOVÉ SPeKTrUM
Vel.
krystalitů
36,2
Obr. 8. Řádkovací elektronová
mikroskopie lomu
106 | 2015 | 9 |
Mřížový
parametr
40,2
4 µm
Obr. 7. EDX line scan vedený kalotou
Mikrostress
Lom
Struktura na lomu je shodná s Triplecoating cr.
Jedná se o výrazně vyvinutou sloupcovou strukturu vrstvy alTin a pro nanokompozitní vrstvy
charakteristickou jemnozrnnou strukturu TiSin
(obr. 8). Tato kombinace poskytuje Triplecoating povlakům výjimečné řezné vlastnosti, již
široce ověřené díky Triplecoating cr.
XRD
zmíněné vysoké vnitřní napětí vrstvy TiSin
bylo ještě spolu s velikostmi krystalitů ověřeno
pomocí low-glancing incidence XrD (X-ray
Diffraction, tj. difrakce rentgenového záření
na krystalografických látkách s rozměrem blízkým vlnové délce záření) s úhlem dopadu 0,5°
ve spolupráci s Masarykovou univerzitou Brno.
Srovnání obou Triplecoating povlaků je v uvedeno tabulce. Hodnoty zbytkového napětí korespondují s makrovýsledky na obr. 2. Porovnání
velikosti krystalitů vychází lépe pro Triplecoating
cr a otvírá další možnosti optimalizace povlaku
Triplecoating Si.
Povrch
Výsledná „as deposited“ drsnost povlaku
s tlouškou 2 µm se pohybuje okolo ra 0,15 µm.
Tyto hodnoty jsou pro technologii nízkonapěového oblouku typické. Vzhledem k popisovaným
problémům spojeným s nestabilitou odpařování
TiSi targetu při vyšších proudech je výsledná
drsnost velmi přijatelná (obr. 9). nástroje s Triplecoating Si jsou po povlakování běžně dolešovány mokrým pískováním nebo ručně za
účelem odstranění makročástic a dodatečného zlepšení drsnosti povlaku. analýzy byly
provedeny metodou aFM na zařízení nanoSurf
aFM2 (obr. 10).
50 µm
Obr. 9. Řádkovací elektronová
mikroskopie povrchu TiSiN
Rektifikace břitů
V oblasti řezných nástrojů se pomalu stává
standardem úprava mikrogeometrie břitů.
Poněkud paradoxně většinou tuto službu
(až na výjimky) stále poskytují místo výrobců
nástrojů povlakovací centra. Vzhledem k určení
povlaku Triplecoating Si pro těžké řezy a do
materiálů zušlechtěných nad 60 Hrc byla
řešena i problematika rámcového nastavení
rádiusů rektifikace břitů. na základě provedených řezných zkoušek byl nalezen interval doporučených hodnot v rozsahu 12–20 µm,
které jsou pro tuto oblast řezných podmí-
nek zdánlivě vysoké. Rádius břitů konkrétního nástroje je nastavován po konzultaci
se zákazníkem, popřípadě po jeho předchozím otestování. Parametry břitů jsou měřeny
na vlastních laboratorních zařízeních Alicona
InfiniteFocus G5 a GFM (obr. 11).
Řezné zkoušky
Závěrečné testování povlaku TripleCoating SI
proběhlo u zákazníka v podmínkách reálné
výroby. Jednalo se o srovnání řezivosti se standardním AlTiN povlakem při frézování na
62 HRC kalené oceli DIN 1.2379 za sucha.
Nástrojem byla monolitní čtyřbřitá kulová fréza
o průměru 11 mm ze slinutého karbidu s 9%
obsahem Co a tvrdostí HV0,05 1 920 kg.mm–2.
Břity zkušebních nástrojů byly před povlakováním rektifikovány na poloměr 14 µm. Použité řezné podmínky byly vc = 80 m.min –1,
f z = 0,04 mm, ap = 5 mm, ae = 0,1 mm. Kritériem opotřebení bylo zvýšení drsnosti povrchu nad Ra = 1,25 µm. Opakování bylo provedeno vždy se třemi nástroji od obou variant
povlaků. Charakter opotřebení byl u obou
povlaků podobný. S povlakem TripleCoating
SI bylo dosaženo životnosti 126 minut oproti
66 minutám u standardního povlaku AlTiN.
Závěr
Povlak TripleCoating SI ve spojení s odpovídající úpravou mikrogeometrie řezné hrany je
určen pro obrábění zušlechtěných ocelí s tvrdostí nad 60 HRC za sucha. Spojuje to nejlepší ze standardních AlTiN povlaků a staronové vrstvy TiSiN. 
Obr. 10. Výstup z NanoSurf AFM2
Obr. 11. 3D scan a měření zaoblení břitu testovacího nástroje z Alicona InfiniteFocus G5
Placená inzerce
VLC 200 H VERTICAL PICK-UP HOBBING MACHINE
Precision Gear Cutting
1
2
FOR
WORKPIECES
Ø 8 IN AND
MODULE 4
3
INTEGRATED AUTOMATION
FLEXIBLE SOLUTION
VERTICAL CHIP FLOW
» Built-in pick-up spindle and
conveyor belt
» Easy integration into
manufacturing systems
» Well suited for high performance dry hobbing
www.emag.com