W tej części artykułu przedstawimy rodzaje powłok przeciwzużyciowych, ich strukturę, właściwości oraz przykładowe zastosowania przemysłowe.
Kazimierz Czechowski, Iwona Wronska, Daniel Toboła
Rodzaje powłok i metody ich nanoszenia
Powłoki stosowane na ostrza narzędzi ogólnie można podzielić na powłoki nanoszone metodami: CVD (Chemical Vapor Deposition) oraz PVD (Physical Vapor Deposition).
Metoda CVD polega na reakcji chemicznej gazowych składników atmosfery, co prowadzi do wytworzenia cienkiej twardej warstwy na powierzchni narzędzia. Proces ten odbywa się zwykle pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze 900÷1100 °C (APCVD – Atmosferic Pressure). Przy stosowaniu reagentów można obniżyć temperaturę procesu do 800÷850 °C (MTCVD – Medium Tempereture) lub ciśnienie do 1÷5 kPa (LPCVD – Low Pressure). Poprzez aktywację elektryczną gazowych reagentów za pomocą wyładowania jarzeniowego lub prądów wysokiej częstotliwości można obniżyć temperaturę procesu do 400÷600 °C (PACVD – Plasma Assisted) [16-19].
Metoda PVD polega na nanoszeniu cienkich warstw poprzez fizyczne ich osadzanie z fazy gazowej. Proces ten zwykle odbywa się przy znacznie obniżonym ciśnieniu rzędu 0,1÷1 Pa w temperaturze 300÷700 °C. Istniejące odmiany metody PVD różnią się w prostszych przypadkach sposobem doprowadzenia ciepła potrzebnego do odparowania osadzanego materiału (nagrzewanie oporowe, indukcyjne, laserowe, bombardowanie wiązką elektronów), a w bardziej złożonych sposobem otrzymywania fazy gazowej zjonizowanej tj. plazmy (PAPVD – Plasma Assisted; w odróżnieniu od procesów nanoszenie warstw z fazy gazowej niezjonizowanej czyli naparowywania próżniowego). Jednym ze sposobów otrzymywania plazmy jest termiczne odparowywanie (tzw. metody nanoszenia jonowego – Ion Plating). Plazma może być otrzymywana także poprzez odparowanie metalu i jonizowanie jego par przez katodowy łuk w miejscu ich powstawania (tzw. łukowo-plazmowa metoda PVD – Arc Deposition). Z kolei inna z metod polega na wybijaniu z katody cząstek osadzanego materiału wskutek bombardowania jonami o dużej energii (tzw. metody rozpylania jonowego – Sputter Deposition), np. w wyniku wytworzenia odpowiednio ukształtowanego pola magnetycznego (tzw. metoda magnetronowa – Magnetron Sputtering) [16-19].
Nowoczesne powłoki na ostrza narzędzi
Rys. 3 Wskaźniki trwałości WT ostrzy z węglików spiekanych z nanostrukturalnymi powłokami naniesionymi w IZTW metodą PVD, uzyskane w obróbce toczeniem utwardzonej stali narzędziowej (WT = 1 dla ostrza bez powłoki) [19]
Powłoki nanoszone na ostrza narzędzi można podzielić z uwagi na budowę na: jednowarstwowe (monolityczne, kompozytowe, gradientowe) i wielowarstwowe (w skali mikro, w skali nano, nadstruktury). Powłoki te mogą być w postaci azotków, węglików, węglikoazotków, tlenków i wieloskładnikowej. Wielowarstwowość powłoki daje korzystniejszy rozkład naprężeń i lepszą odporność na pękanie, gdyż energia pęknięcia rozpraszana jest przez jego odchylanie i rozgałęzienia. Powłoki wielowarstwowe mogą składać się z kilku, kilkunastu, kilkudziesięciu, a nawet z kilku tysięcy warstw (w tym ostatnim przypadku o grubości kilku nm) [17, 19].
Wielowarstwowe w skali mikro powłoki nanoszone metodą PVD składają się z kilku warstw funkcjonalnych [20]; w kolejności od podłoża mogą to być m.in.: metaliczna warstwa adhezyjna (np. Ti, Cr, Mo, Zr), podstawowa warstwa o wysokiej twardości i o możliwie niskim poziomie naprężeń (np. TiN, CrN, ZrN, TiCN), warstwa blokująca przepływ ciepła (np. TiAlN, TiZrN) oraz na powierzchni warstwa o niskim współczynniku tarcia (np. Cr, CrN, TiN).
cały artykuł dostępny jest w wydaniu 12 (99) grudzień 2015
