Powłoki dla narzędzi

Oerlikon
Reklama
Reklama

Trwałość narzędzi stosowanych np. w obróbce metali jest jednym z kluczowych parametrów wydajności procesu. Efektywnym sposobem na jej zwiększenie jest nanoszenie cienkich, twardych i odpornych na zużycie powłok na mniej odporne materiały, z jakich wykonuje się narzędzia. Taki proces jest możliwy do wykonania za pomocą wielu metod opracowanych w odpowiedzi na ciągle wzrastające zapotrzebowanie na nowoczesne metody modyfikacji i ochrony powierzchni narzędzi.

Własności użytkowe zależą nie tylko od własności mechanicznych i fizykochemicznych, lecz bardzo często od struktury i własności warstw powierzchniowych. Dzięki metodom nanoszenia powłok można poprawić parametry ekonomiczne produkcji, używając odpowiednio tańszych materiałów do wytworzenia rdzenia danego elementu. Powłoki nanoszone na ostrza narzędzi niezależnie od metody składają się z azotków, węglików, tlenków i borków metali przejściowych (najczęściej Ti, Zr, V, Cr, Mo, Hf, W, Nb), a także z ich kombinacji. Te wysokotopliwe fazy charakteryzują się wysoką twardością i kruchością oraz wykazują dużą odporność korozyjną i odporność na zużycie trybologiczne. Powłoki odporne na zużycie są stosowane z powodzeniem od ponad pół wieku, głównie na ostrzach narzędzi skrawających ze stali narzędziowych i węglików spiekanych, a także jako warstwy zabezpieczające narzędzia ceramiczne.
 

Fizyczna waporyzacja
Jedną z bardziej popularnych i wydajnych metod nanoszenia powłok jest metoda PVD (ang. Physical Vapour Deposition), czyli fizyczne osadzanie powłok z fazy gazowej. Uzyskiwana w ten sposób warstwa ma grubość rzędu 3÷5 µm i najczęściej posiada twardość w granicach 2000÷3500 HV, co w znaczący sposób wpływa na ograniczenie zużycia ściernego, a tym samym wydłuża żywotność narzędzia i wpływa dodatnio na utrzymanie parametrów kształtu oraz dokładności obróbki. Powłoki PVD wpływają również na zwiększenie odporności na uszkodzenia, takie jak zatarcia, wyłamania czy wykruszenia, co poprawia jakość obrabianej powierzchni, a także pozwala np. na stosowanie znacznie wyższych prędkości skrawania. Wydajność fizycznego osadzania powłok z fazy gazowej jest nierozerwalnie związania z rozwojem techniki próżniowej. Zazwyczaj nakładanie powłok odbywa się poprzez rozpylanie, lub sublimację (naparowanie), a także napylanie. Dzisiaj metody te są już wspierane np. przez procesy reaktywne i aktywowane (np. stosowanie gazów reaktywnych, naparowanie przy użyciu działa elektronowego lub nanoszenie ze zjonizowanych klastrów). Materiał osadzany (w postaci gazowej) krystalizuje się na podłożu za pomocą sił adhezji. W trakcie nakładania powłok metodą PVD nie zachodzą przemiany chemiczne, a całość procesu odbywa się w relatywnie niskich temperaturach (tradycyjne metody PVD przebiegają w temperaturze rzędu 0-200°C, nowoczesne metody PVD: 350-600°C). To umożliwia pokrywanie podłoży zahartowanych i odpuszczonych, bez obawy o spadek ich twardości, lecz jednocześnie często prowadzi do wytworzenia powłok bardzo cienkich i słabo związanych z podłożem. Proces osadzania jest kontrolowany przede wszystkim poprzez dobór temperatury podłoża oraz ciśnienie i skład atmosfery reakcyjnej. Połączenie powłoka-podłoże ma charakter dyfuzyjno-adhezyjny. Świadczy o tym stężenie pierwiastków w osnowie i w powłoce, zmieniające się w strefie przejściowej o grubości 1-2 μm. Jest ono tym silniejsze, im bardziej wolna od zanieczyszczeń jest powierzchnia pokrywana. Aby to osiągnąć, przed obróbką właściwą stosuje się zgrubne (chemiczne) i dokładne (jonowe) czyszczenie. Czyszczenie chemiczne polega na usunięciu z powierzchni wszelkiego rodzaju zabrudzeń, tłuszczów, smarów oraz zanieczyszczeń mechanicznych i efektów korozji, takich jak tlenki i siarczki. Czyszczenie jonowe stosuje się bezpośrednio przed procesem powlekania i ma na celu aktywowanie powierzchni i podgrzanie elementu do żądanej temperatury. Następnym krokiem jest właściwa część procesu odbywająca się w większości przypadków w trzech kolejnych etapach: uzyskiwanie par nanoszonego materiału, transport par na materiał podłoża oraz ich kondensacja na podłożu i wzrost powłoki. W trakcie narastania nanoszonej powłoki zmienia się stężenie składających się na nią pierwiastków, co nie pozostaje bez wpływu na jej właściwości.

Nowe, lepsze właściwości
W przemyśle powłoki PVD są stosowane głównie dla zwiększenia odporności na zużycie. W przypadku narzędzi skrawających pozwalają na lepsze odprowadzanie wióra i ograniczają dyfuzję między narzędziem a obrabianym materiałem, dają izolację termiczną i chemiczną oraz obniżają tarcie. To pozwala na ograniczenie kosztów ponoszonych z tytułu wymiany i zakupu narzędzi czy przestojów w pracy maszyn. Ogranicza konieczność chłodzenia, a także pozwala obrabiać trudniejsze materiały. Powłoki PVD są stosowane nie tylko w przemyśle, ale również np. w zdobnictwie, a także wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba zmiany właściwości fizycznych lub chemicznych przedmiotu. O rzeczywistym zwiększeniu jakości różnych systemów powłok świadczą: przyrost twardości końcowej w stosunku do podłoża, możliwie najniższy współczynnik tarcia między narzędziem a obrabianym materiałem (co wywiera znaczny wpływ na zmniejszenie sił skrawania i obniżenie jego temperatury oraz bezpośrednio umożliwia zwiększenie prędkości obróbki lub skrawanie bez użycia czynników chłodzących), tworzenie bariery termicznej dla ciepła wytwarzanego w trakcie procesu obróbki (co przekłada się na mniejsze odkształcenia plastyczne), zmniejszenie szybkości dyfuzji w obu kierunkach (co zwiększa odporność na zużycie dyfuzyjne). Na trwałość narzędzi pokrywanych powłokami opornymi na ścieranie główny wpływ ma parametr określający przyczepność powłoki do podłoża, a nie sama jej twardość, jako że wszystkie stosowane w tym procesie powłoki charakteryzują się wystarczająco wysoką twardością. Analizy wykonane w ramach badań prognozujących wskazują, że najlepsze perspektywy w ciągu najbliższych 20 lat stoją właśnie przed powłokami PVD – zwłaszcza przed technologią wielowarstwową z liczbą ponad 10 warstw oraz złożonymi monokrystalicznymi powłokami jednowarstwowymi o bardzo szerokim spektrum zastosowań.

 

Kierunki rozwoju
Oczekiwania przemysłu wobec nowych typów powłok dotyczą głównie własności wytrzymałościowych, w tym większej odporności na zużycie ścierne, adhezyjne, utlenianie trybologiczne oraz zmęczenie powierzchniowe (pitting). Oczekuje się oraz większej odporności termicznej, a także odporności na korozję i inne czynniki zewnętrzne. Świetnym przykładem przedsiębiorstwa które stawia na rozwój tej dziedziny przemysłu jest Oerlikon Balzers Coating, który w marcu br. rozpoczął wytwarzanie w Polsce najnowocześniejszych powłok dostępnych obecnie na rynku – Balinit Aldura. Składa się ona z warstw: bazowej – o składzie TiAlN gwarantującej doskonałą adhezję oraz polepszającej wytrzymałość mechaniczną, podstawowej, o strukturze nanokrystalicznej na bazie AlCrN zapewniającej bardzo wysoką twardość na gorąco, odporność na utlenianie i dobrą izolacyjność termiczną oraz Balinit Alnova, który charakteryzuje się wysoką odpornością na zużycie, zdolnością do przenoszenia obciążeń mechanicznych, wytrzymałością na ostrzach skrawających, a także obniżeniem sił skrawania. Powłoki te i inne są już wytwarzane w centrum powlekania w Kędzierzynie-Koźlu, Tczewie i Polkowicach na jednych z najbardziej zaawansowanych urządzeń powlekających Ingenia. Nanoszone w technologii PVD powłoki Balinit z powodzeniem są stosowane podczas produkcji kół zębatych, elementów łożysk (bieżni, rolek), części silnikowych (wałów, elementów układów wtryskowych, sworzni i pierścieni tłokowych, zaworów, elementów pomp), zdobnictwie, a także w przemyśle tekstylnym, lotniczym, rajdowym, spożywczym, medycznym, czy hydraulice. Co również warte podkreślenia, Oerlikon Balzers jest jedynym tego typu przedsiębiorstwem, które świadczy kontraktowe usługi nakładania (inhouse), co oznacza, że obsługuje nie tylko klientów wielkoseryjnych.

Z Markiem Danisem, dyrektorem generalnym Oerlikon Balzers Coating Poland, rozmawia Artur Heliak
Kim są państwa główni klienci?
Po 13 latach działalności na polskim rynku to już ponad 1000 firm. Najczęściej są to producenci narzędzi skrawających, firmy regenerujące narzędzia, branża automotive, sektory związane z obróbką metali, np. AGD. Segmenty technologiczne to narzędzia do obróbki skrawaniem, obróbki plastycznej na zimno oraz formy wtryskowe do tworzyw sztucznych i odlewania ciśnieniowego aluminium. Osobnym segmentem jest powlekanie komponentów i części maszyn, które w Polsce dopiero się rozwija. Zapotrzebowanie na powłoki PVD w danym kraju świadczy o stopniu rozwoju przemysłu obróbkowego zarówno pod względem ilościowym jak i technologicznym (jakościowym). Zapotrzebowanie na nasze usługi stale rośnie przez od początku naszej obecności w Polsce, zatem na tej podstawie można wnioskować, że sprawy idą w dobrym kierunku. W latach 2012-2014 zwiększyliśmy swoje obroty dwukrotnie.

Na co klienci zwracają szczególną uwagę?
Kilkanaście lat temu dominującym kryterium zakupu narzędzia była jego cena. Dzisiaj kluczowa jest wydajność - ile operacji w danej jednostce czasowej można wykonać oraz jaka jest żywotność tychże narzędzi. Klienci chcą produkować coraz szybciej, obrabiać nowe materiały, np. o twardości do HRC 65, ponadto dąży się do wyeliminowania chłodzenia, a technologia HSC daje zupełnie nowe możliwości jakościowe.

W jaki sposób powłoki wpływają na wzrost trwałości narzędzi?
Kluczową cechą jest podwyższona odporność na ścieranie. Oprócz tego nasi klienci doceniają mniejsze tarcie, odporność na temperaturę oraz redukcję efektu klejenia, dzięki czemu uzyskuje się dużo lepszy spływ wióra. W nowoczesnych technologiach obróbki metali ogromne znaczenie ma możliwość podwyższenia parametrów obróbki w celu uzyskania większych wydajności produkcyjnych, przy zachowaniu trwałości narzędzia w tych bardziej wymagających warunkach.

Jaką rolę w państwa działalności odgrywają badania i rozwój?
Absolutnie kluczową. To decyduje o naszej konkurencyjności na rynku. Aby doskonalić nasze produkty, zatrudniamy kilkadziesiąt osób w naszym ośrodku badawczym. Ciągle pojawiają się coraz to nowe generacje powłok. W ich promocji na rynku dużą wagę przywiązujemy do współpracy z pismami branżowymi, obecności na targach i doradztwa technicznego w terenie. Będąc liderem tak w Polsce, jak i na świecie, nie ma dla nas innej drogi: musimy stawiać na rozwój. Ostatecznym sprawdzianem jest jednak zawsze decyzja klienta. To on testuje nasze produkty, porównuje je zkonkurencyjnymi i podejmuje ostateczną decyzję. Nasz największy światowy konkurent ma obroty trzy razy mniejsze od Oerlikon Balzers. To wynika także z takiego, a nie innego podejścia do zagadnień badań i rozwoju. Jesteśmy absolutnym liderem na świecie pod względem wielkości sprzedaży, musimy być w związku z tym również liderem w poziomie technologicznym.
Reklama
Reklama

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Reklama