Moderní metody povlakování

Více než 25 let je povlakovací technologie klíčovým faktorem při výrobě obráběcích nástrojů. Není tedy žádným překvapením, že od uvedení prvního PVD povlaku v 80. letech bylo vyvinuto více než 70 druhů povlaků pro nástroje. Na letošním EMO 2011 uvedla fi rma Oerlikon Balzers nový povlak BALINIT® PERTURA, který je použitelný pro všechny vrtací operace. Inovativně myslící technologové dokáží nasazením kvalitních povlaků získat vyšší efektivitu, spolehlivost, nejvyšší přesnost a snížení výrobních nákladů na zhotovení dílů. Kromě toho získávají možnost použít nové materiály jak na díly samotné, tak na nástroje. Povlaky se vždy vyvíjely souběžně s požadavky techniků z praxe, a to s cílem dosáhnout jak pokroku v ekonomice výroby, tak i v produkční jistotě. NEJVYŠŠI USPORA NAKLADŮ Obecně platí, že náklady lze při mechanickém opracování výrazně snížit pouze zvýšením produktivity nástrojů. Je to prosté konstatování: zvýšení životnosti nástrojů až o 50 % přinese pouze 1 % úsporu nákladů na jeden díl. Přibližně stejně velkou úsporu získáme při snížení nákladů na nástroje o 30 %. Naopak vylepšení obráběcích parametrů o 20 % může zredukovat výrobní náklady o 15 % i více. V konkrétních aplikacích se mohou jednotlivé výsledky lišit. ZVYŠENE NAROKY NA VRTANI NA ZAKLADĚ POUŽIVANI NOVYCH KONSTRUKČNICH MATERIALŮ Neustále se zvyšující požadavky na komponenty zejména pro motory a pohony ovlivňují již několik let nasazení nových vysoce výkonných materiálů. Patří mezi ně např. austenitická tvárná ocel (Austenitic Ductile Iron, ADI) a vermikulární šedá litina (GGV). Jejich vysoká pevnost v tahu a abraze kladou zvýšené požadavky na povlakovaný nástroj. Současně je ale požadováno, aby materiály byly opracovány maximálně se stejnými náklady jako materiály používané dříve. Pro dosažení tohoto cíle se tedy často využívá technologie vysoce výkonného vrtání využívající vyšší řezné rychlosti a posuvy. Tento proces zvyšuje produktivitu a snižuje náklady během vrtání. V případě, že jsou běžné vrtací nástroje nasazeny při vc = 80 m/min umožňuje nová generace vysoce výkonných vrtáků řeznou rychlost až 200 m/min. Další potenciál úspor je v obrábění takřka zasucha s použitím minimálního množství maziva (MMS, MMKS). Díky tomu se sníží nejen samotné náklady na spotřebu chladiva a maziva, ale také na jejich likvidaci. VARIANTY PRO VRTACI NASTROJE Aby bylo možné vyhovět všem různorodým požadavkům, v posledních letech byl vyvinut velký počet standardních PVD povlaků – např. od roku 1980 do dneška se jich sériově vyrobilo přes 70. A mnoho dalších specifických povlaků přibylo od malých výrobců a od výrobců nástrojů. Při samotném vrtání máme k dispozici povlaky na bázi titanaluminiumnitridu (TiAlN), aluminiumtitannitridu (AlTiN) a aluminiumchromnitridu (Al- CrN) z výběru – monovrstva, multivrstva a nanokompozitní složení. Důsledkem toho je, že existuje na výběr velké množství variant ve výrobě na základě rozdílných vrtacích geometrií a povlaků, které pocházejí od různých dodavatelů. Jako příklad může sloužit situace jedné nástrojárny, kde má osoba odpovědná za vrtání k dispozici 780 různých variant vrtáků použitelných na danou aplikaci - délek, průměrů, geometrií a povlaků od různých dodavatelů, což musí být vzato v úvahu při výrobě a rozhodování o nákupu. ŠIROKOSPEKTRALNI POVLAK PRO VRTANI Zcela nový povlak BALINIT® PERTURA od firmy Oerlikon Balzers nabízí široké spektrum využití v průmyslu. Oerlikon Balzers si drží vedoucí pozici v technologii povlakování a v posledních letech dosáhl výrazného pokroku v řešení oxidační odolnosti a stability PVD povlaků za zvýšených teplot. Mezi hlavní úspěchy patří povlaky na bázi aluminiumchromnitridu (AlCrN) jako BALINIT® ALCRONA PRO nebo BALINIT® ALNOVA a dále pak cílená stavba tvrdých vrstev, díky nimž lze ovlivnit odolnost proti oxidaci a vlastnosti za vysokých teplot. Největším problémem je najít správnou rovnováhu mezi tvrdostí a vnitřním pnutím. To se projevuje nejen na odolnosti proti abrazivnímu opotřebení, ale obzvláště na stabilitě povlaku při vrtání průchozích otvorů, při navrtávání litiny a materiálů, které jsou méně stabilní při třískovém obrábění. Výhodou mohou být rovněž multivrstvy, kdy jednotlivé vrstvy povlaku zachytí, utlumí energii trhlin a tím brání jejich dalšímu šíření k substrátu nástroje a prodlužuje se tak nejenom životnost, ale především také procesní spolehlivost nástroje. Tento koncept rozvíjel Oerlikon Balzers několik let. Důležité jsou přitom technicko - materiálové znalosti, výsledky analytického zkoumání na transmisním elektronovém mikroskopu, stejně jako poznatky z rozsáhlých simulací a řezných testů ve vlastní laboratoři. Tak mohl Oerlikon Balzers převést koncept vícevrstvého povlaku přes nanovrstvy k současným nanovrstevným povlakům s optimalizovaným odstupem vrstev. Výsledkem je nové řešení – povlak BALINIT® PERTURA, který lze použít na všechny vrtací operace jako širokospektrální druh povlaku. K značným výhodám patří možnost využití vysoké řezné rychlosti při vrtání oceli. Na základě velmi hladkého povrchu je nový povlak vhodný pro vrtání hlubokých děr, stejně jako i pro opracování náročných materiálů odlitků. NASTROJE PRO VYROBU OZUBENI Také v oblasti výroby ozubených kol je uplatňována povlakovací technologie více než 25 let, jako předpoklad a klíč k větší produktivitě. To je založeno na typickém rozložení nákladů, kdy pouze 8 % nákladů připadá na nástroj samotný, 12 % je použito na chlazení, 24 % na stroj a pro seřízení, 26 % se rozloží na ostatní náklady, které nejsou přímo ovlivnitelné. Největší jednotlivou položku nakonec tvoří samotné řezné operace s 30% podílem nákladů! FAKTORY OVLIVŇUJICI VYROBNI NAKLADY Zvýšením řezných parametrů se značně zvyšuje mechanické a tepelné zatížení obráběcích nástrojů. Proto se přikládá materiálům nástrojů a jejich povlakům rostoucí význam. Na konci 80. let umožnily první PVD povlaky na bázi titannitridu (TiN) zvýšit zřetelně řeznou rychlost a současně prodloužit životnost nástrojů. Důvod spočívá ve zlepšení odolnosti povrchu nástroje, které může být dosaženo s PVD povlakem - vyšší odolnost proti opotřebení, lepší odvod třísky a menší zahřívání nástrojů. NEPŘETRŽITY VYVOJ Další významný pokrok přinesly na počátku 90. let první povlaky na bázi titancarbonnitridu (TiCN), které umožňovaly ještě vyšší rychlosti. V roce 1996 následoval další milník s TiAlN povlaky, se kterými bylo možné zvýšit výkon nástrojů na více než dvojnásobek. A v roce 2004 Oerlikon Balzers přišel na trh s další inovací jako reakcí na požadavky zlepšení, prvním povlakem na bázi AlCrN - BALINIT® ALCRONA, který zajišťuje dlouhou životnost při vysoké řezné rychlosti, vysokou provozní spolehlivost, stejně jako reprodukovatelnost přepovlakování bez ztráty výkonu. NOVA ETAPA VYVOJE POVLAKŮ Na základě povlaku BALINIT® ALCRONA vyvinul Oerlikon Balzers další milník BALINIT® ALCRONA PRO. Optimalizované procesní parametry a modifikovaná struktura povlaku vylepšuje vnitřní pnutí povlaku a odolnost vůči teplotním změnám. V závislosti na užití se dá dosáhnout zvýšení výkonu ve srovnání s předchozím povlakem o 20 % a více. To platí jak při nízkých řezných rychlostech (vc = 110 až 160 m/min) a mokrém obrábění, tak i pro vysoké řezné rychlosti (vc = 160 až 220 m/min) a suché obrábění. Při současném vývoji jde tedy o to dále vylepšovat vlastnosti povlaku za vysoké teploty a dále umožnit zvýšení řezné rychlosti. Cílem je >250 m/min pro nástroje z rychlořezné oceli a >500 m/min pro nástroje z tvrdokovu. DALŠI MOŽNOSTI OPTIMALIZACE Poznatky posledních let ukazují, že se dají vlastnosti povlaků nasměrovat cíleně přes složení povlakovacích materiálů, popřípadě vývojem procesních parametrů. Základní vlastnosti povlaků, jako odolnost proti opotřebení, tepelná tvrdost, tepelná přilnavost, ale také adheze a drsnost povlaku, lze zaměřit na budoucnost a umožňovat tak návrh povlakovacích systémů pro každé použití. V periodické tabulce prvků je ještě mnoho možností k dalšímu vylepšení PVD povlaků. Základem pro cílenou optimalizaci je důkladné pochopení souvislostí obrábění, souvislostí mezi mechanickými a technickými vlastnostmi povlakování a nynějšími povlakovacími parametry. Díky těsné spolupráci s univerzitami a výzkumnými institucemi, jak v teoretických modelech, tak i při experimentech lze efektivně zkrátit inovační cykly. Efektivnost povlakování je nerozlučně spjata s kvalitou povrchu nástroje a kvalitou materiálu substrátu. Teprve tehdy, když všechny parametry optimálně spolupracují, může povlak dosáhnout svého plného potenciálu. POZITIVNI VLIV NA ŽIVOTNI PROSTŘEDI Moderní povlakovací technologie mohou také významnou měrou přispět k ochraně přírodních zdrojů a energeticky efektivní výrobě. Největší potenciál, co se týče ekoefektivity, spočívá ve vylepšeném využití zdrojů povlakovacích materiálů (tzv. targets), které jsou osazeny v povlakovacích zařízeních a při procesu povlakování se z nich získávají materiály pro deponovaný povlak. Proto Oerlikon Balzers vynakládá značné zdroje do vývoje technologií. Firma pravidelně investuje několik milionů eur do odpovídajících technologických vylepšení a do modernizace povlakovacích zařízení. Pozitivní dopad PVD technologie na životní prostředí lze dokázat pomocí ekobilancí. Spotřeba surovin při PVD povlakování je v porovnání s výrobou tvrdokovových nástrojů pouze 10%. Moderní PVD povlaky na bázi AlCrN například prodlouží výrazně životnost nástrojů a šetří energii a zdroje ve výrobě. Přičemž platí: čím vyšší je kvalita povlaku, tím větší jsou úspory. Výsledkem výše uvedených snah o modernizaci povlakovacích technologií je nové povlakovací zařízení INGENIA s S3pTM technologií, které bylo představeno na Mezinárodním strojírenském veletrhu EMO Hannover. FLEXIBILNI POVLAKOVANI INGENIA S novým povlakovacím zařízením INGENIA stanovuje Oerlikon Balzers nová kritéria v povlakovací technologii PVD. Zkrácení doby povlakování, přesná tloušťka, vysoká flexibilita co se týče využitelnosti povlaku. Technologie a kapacita se počítají k nejdůležitějším vlastnostem zařízení. Díky optimalizaci vyhřívání a chlazení dochází k zřetelnému zkrácení povlakovacího procesu, a to až o tři hodiny. Během jednoho dne lze realizovat až osm různých procesů, zařízení lze přizpůsobit i malému množství nástrojů. Zařízení je schopno produkovat veškeré povlaky Oerlikon Balzers, stejně jako i speciální povlaky přizpůsobené zákazníkům. Díky této flexibilitě dosáhla INGENIA doposud nedosažitelné přesnosti tloušťky vrstvy povlaku +/- 5 %. Zařízení je tedy vhodné pro povlakování přesných nástrojů a mikronástrojů a také pro některé komponenty. Zařízení je také vhodné jako základ pro výzkum a vývoj. INGENIA obsahuje modulární koncepci, díky které může být doplněna o další nové technologie. Společně s povlakovacím zařízením INGENIA přináší Oerlikon Balzers na trh také novou S3pTM technologii, jako další řešení na bázi HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering/HiPIMS). Nová technologie vytváří plazmu s vysokým podílem ionizovaných atomů tvořících povlak. Díky tomu mohou být produkovány extrémně hladké a odolné povlaky s optimalizovanými vlastnostmi pro využití v mnoha oblastech. Při použití různých povlakovacích materiálů umožňuje homogenní tloušťku vrstvy. A tím vytváří S3pTM podmínky pro neomezené využití HiPIMS technologie ve výrobě a stejně tak i ve výzkumu a vývoji. /f/