PVD czy CVD – metody nanoszenia powłok na narzędzia
Narzędzia skrawające mają olbrzymi wpływ na wydajność procesów obróbczych, dlatego ich producenci dokładają wszelkich starań, aby zapewniały lepszą odporność na ścieranie, a tym samym miały dłuższą żywotność, a także pozwalały zwiększyć prędkość skrawania. Poza użyciem odpowiedniego materiału wykonania i modyfikacjami konstrukcji narzędzia cele te można uzyskać także przez zastosowanie odpowiednich powłok narzędziowych. Obecnie najpopularniejsze jest nanoszenie powłok narzędziowych metodami PVD i CVD.
Stosowanie dodatkowych powłok narzędziowych nie jest nowością w branży. Takie rozwiązania można było spotkać już w latach 70. minionego wieku, choć oczywiście cały czas zmieniają się rodzaje powłok, a tym samym ich przeznaczenie oraz skuteczność działania. Wynika to m.in. z rozwoju nowych technologii i materiałów, ale również ze zmian, jakim podlegają procesy obróbcze.
Dodatkowe powłoki to większa trwałość narzędzi i nie tylko
Wszelkie działania związane z optymalizacją narzędzi obróbczych mają na celu przede wszystkim zwiększanie ich trwałości, co przekłada się na niższe koszty danego procesu produkcyjnego. Oczywiście, można to osiągnąć na różne sposoby, np. przez zwiększanie twardości narzędzi, ich odporności na ściskanie, zginanie, skręcanie i/lub korozję czy poprawę stabilności krawędzi.
Wprawdzie za wytrzymałość mechaniczną narzędzia odpowiada jego rdzeń i materiał wykonania, ale już na większość pozostałych czynników wpływ ma warstwa zewnętrzna narzędzia, którą można modyfikować przez nakładanie różnych powłok. Jak wynika z badań, stosowanie właściwych powłok może zwiększyć trwałość narzędzia kilka, a w niektórych przypadkach – nawet kilkanaście razy.
W przypadku obróbki na sucho lub z minimalnym udziałem cieczy chłodząco-smarującej narzędzia muszą sprostać znacznie wyższej temperaturze, a tym samym i siłom tarcia oraz adhezji. W takiej sytuacji – oprócz wytrzymałych materiałów i specjalnych rowków zmniejszających powierzchnię natarcia ostrza narzędzia – stosowane są także specjalne powłoki ochronne z warstwami poślizgowymi.
Dodatkowe powłoki nie tylko zmniejszają współczynnik tarcia na powierzchniach natarcia i zapobiegają przywieraniu materiału, ale też zapewniają lepsze odprowadzanie wiórów i sprzyjają powstawaniu naprężeń ściskających (w miejsce rozciągających) w warstwie przypowierzchniowej obrabianego detalu. Powłoki sprawdzają się też w przypadku obróbki materiałów o dużej twardości, poprawiając ogólne warunki tego procesu, m.in. przez ograniczenie sił skrawania, zwiększenie prędkości skrawania i posuwu oraz wydłużenie trwałości narzędzi.
Wśród powłok przeciwzużyciowych najbardziej popularne są te tworzone na bazie azotku tytanu, węgloazotku tytanu i azotku tytanu glinu. Na znaczeniu zyskują jednak też powłoki diamentowe i węglowe zmniejszające zużycie, tarcie i korozję, np. powłoka z węgla diamentopodobnego, która w porównaniu z powłokami konwencjonalnymi wykazuje lepsze właściwości antyadhezyjne i dość wysoką elastyczność. Zastosowanie odpowiedniej powłoki w połączeniu z materiałem narzędzia może także sprawić, że otrzyma ono unikalne cechy, które nie są możliwe do uzyskania przy wykorzystaniu tradycyjnych materiałów.
Metoda fizycznego osadzania z powłok gazowych (PVD)
Jedną z najczęściej stosowanych technik nanoszenia powłok narzędziowych jest metoda PVD (ang. Physical Vapour Deposition), podczas której nie zachodzą reakcje chemiczne (cały proces ma wymiar wyłącznie fizyczny). Wykonywana jest ona na zimno lub na podłożu rozgrzanym do 350-600°C.
Technika PVD wykorzystuje różne zjawiska fizyczne, takie jak rozpylanie, sublimację (naparowanie) lub napylanie, które są intensyfikowane przez dodatkowe procesy reaktywne (wykorzystujące gazy reaktywne, które przyczyniają się do powstania warstwy o dużej twardości), aktywowane (przez aktywowanie procesów jonizacji gazów i par metali) bądź mieszane.
Uzyskana za pomocą metody PVD powłoka ma najczęściej grubość 3-5 μm i twardość w granicach 2000-3500 HV. Połączenie na styku powłoka–powierzchnia narzędzia ma charakter adhezyjny (rzadziej adhezyjno-dyfuzyjny), a o jego sile w dużej mierze decyduje również czystość pokrywanej powierzchni. Dlatego też przed samym nanoszeniem powłoki konieczne jest przeprowadzenie procesu czyszczenia, który najczęściej składa się z dwóch etapów. Czyszczenie zgrubne (chemiczne) polega na usunięciu z powierzchni narzędzia różnego rodzaju zanieczyszczeń (tłuszczów, smarów, farb, zanieczyszczeń mechanicznych czy śladów korozji), a czyszczenie jonowe przeprowadza się tuż przed samym procesem nanoszenia powłok – w celu aktywowania powierzchni i jej podgrzania do odpowiedniej temperatury.
Powłoki uzyskane metodą PVD charakteryzują się zwiększoną twardością i mniejszym zużyciem ściernym. Ponadto mają zwiększoną odporność na uszkodzenia, takie jak zatarcia, wyłamania czy wykruszenia, co przekłada się na jakość obrabianej powierzchni, a także pozwala na stosowanie znacznie wyższych prędkości skrawania.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Rynek
Branża narzędziowa: W kierunku innowacji i automatyzacji
Produkcja tańsza, szybsza, dokładniejsza, a przy tym zapewniająca wysoką jakość finalnego wyrobu wymaga od wszystkich elementów biorących udział w procesach produkcyjnych nowych, zaawansowanych rozwiązań. Nie inaczej jest z narzędziami skrawającymi, które z jednej strony muszą radzić sobie z najtrudniejszymi materiałami, a z drugiej – oferować jak najdłuższą żywotność. Obecnie do tej listy można dodać jeszcze jedną pozycję: zachodzące zmiany w procesach produkcyjnych związane z wdrażaniem rozwiązań Przemysłu 4.0, które także wpływają na dynamiczny rozwój branży narzędziowej.
Metoda chemicznego osadzania z powłok gazowych (CVD)
Ze względu na nieco wyższy poziom skomplikowania metoda CVD (ang. Chemical Vapour Deposition) jest mniej popularna niż PVD, co jednak nie oznacza, że nie jest obecnie stosowana. W metodzie tej dochodzi do reakcji chemicznej, w której udział biorą składniki atmosfery gazowej (wprowadzonego do specjalnej komory gazu) oraz powierzchni obrabianego elementu.
Sama reakcja chemiczna zachodzi w warunkach ciśnienia atmosferycznego i w wysokich temperaturach, sięgających nawet powyżej 1000°C, które są niezbędne do rozkładu substancji biorących udział w reakcji i do przebiegu samej reakcji. Z tego też względu metoda ta nie może być stosowana wobec wszystkich rodzajów materiałów, gdyż może powodować utratę ich własności użytkowych.
Obecnie wykorzystuje się ją przede wszystkim do nanoszenia powłok na narzędzia wykonane z węglików spiekanych oraz materiałów ceramicznych. Problemem w tym przypadku mogą być także powstałe w wyniku reakcji substancje uboczne wymagające odpowiedniej utylizacji.
Uzyskane metodą CVD powłoki (np. TiC czy TiN) zapewniają trwałość nawet kilkukrotnie większą od konwencjonalnych węglików spiekanych. Ponadto niektóre warstwy mogą charakteryzować się dużą odpornością na utlenianie oraz zużycie narzędzia w wyniku dyfuzji węgla do stali, co w efekcie pozwala na uzyskanie znacznie większych prędkości skrawania.
Opisane wyżej wysokie temperatury charakterystyczne dla klasycznej metody CVD ulegają jednak stopniowemu ograniczeniu wraz z ewolucją samej techniki. Dziś nanoszenie powłok metodą chemiczną możliwe jest już przy dużo niższych temperaturach sięgających 500–700°C, a w niektórych przypadkach (np. przy nanoszeniu nanowarstw) – nawet poniżej 500°C.
Nanoszenie powłok wspomagane plazmą
Wspomniana ewolucja metod nanoszenia powłok dotyczy obu opisywanych technik. W obu coraz większą popularność zyskują procesy, w których składniki atmosfery aktywowane są w obecności wyładowania jarzeniowego, czyli pod wpływem plazmy.
Metoda PACVD (Plasma Assisted CVD) ma tę zaletę, że do rozpoczęcia procesu nanoszenia powłoki nie jest wymagane już dostarczenie aż tak wysokiej temperatury, a uzyskane efekty (większa wydajność i jakość gotowej warstwy) są analogiczne do tych rejestrowanych w przypadku klasycznej metody realizowanej w bardzo wysokiej temperaturze. Działanie plazmy umożliwia również optymalne czyszczenie podłoża, co wpływa na uzyskanie dobrej przyczepności powłoki do powierzchni narzędzia.
W przypadku metody PVD nanoszenie dodatkowej warstwy jest dziś realizowane niemal zawsze w obecności plazmy, dlatego też jest ona coraz częściej utożsamiana z metodą PAPVD (Plasma Assisted PVD). Technika ta jest wykorzystywana przede wszystkim do nanoszenia cienkich powłok i zapewnia lepszą adhezję powłoki z podłożem. Ponadto plazma zapewnia dobre oczyszczenie powierzchni narzędzia.
Obecne dziś na rynku techniki nanoszenia powłok oraz spore zróżnicowanie dostępnych materiałów (zarówno samego rdzenia narzędzia, jak i powłoki) powodują, że istnieje możliwość uzyskania dodatkowych powłok o różnorodnych właściwościach.
Co ciekawe, powłoki wykonane z tego samego materiału, ale zrealizowane z wykorzystaniem innej techniki mogą różnić się swoimi własnościami. Dlatego też niezwykle istotne jest odpowiednie dopasowanie materiału narzędzia, powłoki oraz metody jej nanoszenia.
Główne cele realizowane przez nakładanie powłok:
• wydłużenie trwałości narzędzi,
• zwiększenie twardości narzędzi,
• zmniejszenie współczynnika tarcia na styku ostrza z wiórem i ostrza z przedmiotem obrabianym,
• ograniczenie dyfuzji i podatności na zmiany chemiczne,
• zmniejszenie ryzyka powstawania narostu na krawędzi narzędzia,
• lepsze rozłożenie ciepła w obszarze skrawania,
• lepsze odprowadzenie wióra,
• łatwiejsza wizualna ocena stanu narzędzia.
