Co je PVD?
PVD je zkratka pro Physical Vapor Deposition, což do češtiny překládáme jako Fyzikální depozice z plynné fáze.
Jedná se o pokročilou technologii, která využívá plazmové výboje pro nanášení extrémně tenkých ochranných vrstev s unikátními fyzikálními vlastnostmi na povrchy nástrojů, dílců, komponent i předmětů denní potřeby.
Zjednodušeně lze říci, že ve vakuové komoře rozebíráme zdrojový materiál (takzvaný terč) atom po atomu a na povrchu povlakovaného předmětu jej opět po atomech skládáme. Vzniká tak velice tenká a přesná povrchová vrstva s unikátními vlastnostmi, které mohou zvýšit výkon nástroje do zcela nových oblastí.
Zní to složitě, a také je , ale s PVD vrstvami se v běžném životě denně setkává každý z nás. Od průhledných vrstev na brýlích, které chrání Vaše oči před UV zářením, až po extrémně tvrdý zlatý povlak na vrtáku, kterým doma vrtáte díry pro novou poličku.
Jak PVD funguje?
- krok – předpříprava
Přijatý nástroj, který má být povlakován pomocí PVD, je nejprve zkontrolován. Následně jsou provedeny nezbytné úpravy povrchu (mokré pískování apod.). Nezbytné je také důkladné chemické čištění a mytí před samotným procesem. A následné naložení do vhodných držáků. - krok – vakuum
Poté je vložen povlakovací komory, kde je nezbytné dosáhnou vysokého vakua (10-3 Pa). Společně s odčerpáváním zbytkové atmosféry pro dosažení vakua je komora a vsázka uvnitř zahřívána, aby došlo k uvolnění a odstranění těkavých látek na površích povlakovaných nástrojů. - krok – plazmový výboj
Po dosažení vakua je do komory zapouštěn pracovní plyn – Argon. Pomocí velice intenzivních elektrických a magnetických polí je tento plyn ionizován – z neutrálního atomu argonu je vyražen záporný elektron, čím atom získává celkový kladný náboj a stává se z něj iont. Z inertního plynu se tak stává plazma, které je schopné vést elektrický proud. Pomocí plazmatického výboje je poté z terče atom po atomu uvolňován (odpařován, nebo odprašován) zdrojový materiál ve formě kovové páry. - krok – přenos kovové páry
Tato kovová pára je složená z neutrálních atomů a nabitých iontů kovů zdrojového materiálu. V této fázi může být do VPD komory zapuštěn reaktivní plyn (dusík, CO2 …), který reaguje s atomy a ionty zdrojového materiálu a dochází ke vzniku molekul – nitridů, karbidů, oxidů… Ionty a molekuly s elektrickým nábojem jsou pomocí itenzivního elektrického pole dále urychlovány na povrch povlakovaných nástroj/dílců. Zatímco atomy a molekuly bez náboje putují PVD komorou chaoticky. - kondenzace na nástroji
Atomy, ionty a molekuly kovů, které dopadají na povrch povlakovaného nástroje se zde fyzikálně kotví. Může docházet k jejich vzájemnému posunu a případně i k vzájemné rekombinaci. Atom po atomu zde začíná růst povrchová vrstva. A zde začíná nanoinženýrství struktury povlaku. Kromě svého chemického složení totiž povlaky mohou mít nepřeberné množství struktur v měřítcích od nano přes mikro. Mohou vznikat monovrstvy, multivrstvy více typů PVD povlaků, nanokompozitní struktury krystalů v amorfní matrici, nebo plně amorfní struktury. - krok – post depoziční úprava povrchu a výstupní kontrola
Poté co je nanesen samotný povlak a nástroj je vyložen z PVD komory přichází na řadu finální úpravy povrchu. Může se jednat o zalešťování břitů obráběcích nástrojů, strojní či ruční doleštování forem, nebo konzervaci pro převoz. Následuje již jen výstupní kontrola a nástroj je opět na cestě ke svému pánu.
Je to složité, že? 😉 Pokud by Vás tento fascinující fyzikální proces zajímal více, nebojte se na nás obrátit, rádi Vám vše podrobně vysvětlíme a společně můžeme objevovat jeho možnosti, například při optimalizaci PVD povlaku pro Vaši aplikaci.
Jaký typ materiálu je tedy vlastně PVD povlak?
Ve většině případů se jedná o nitridy, karbidy, nebo oxidy kovů a přechodových kovů. V podstatě jsou to tedy keramiky. Můžeme ale nanášet i čisté kovy a jejich slitiny. A nově i pokročilé amorfní materiály na bázi kovových skel – kovové slitiny s bleskově ztuhlou „kapalnou“ strukturou – stejně jako sklo.
Jaké jsou výhody PVD vrstev?
Je jich vážně hodně a každý typ PVD vrstvy má svůj unikátní soubor vlastností, mezi které patří:
- Extrémně vysoká tvrdost a pevnost
- Jedinečná odolnost proti opotřebení
- Nízké koeficienty tření
- Vysoká strukturní a tepelná stabilita
- Chemická a biologická inertnost
- Rozměrová přesnost na úrovni desetitisícin milimetru
- Korozní odolnost
- Nízká přilnavost
- Minimální prostupnost vnějšího prostředí k substrátu
- Extrémně nízká povrchová drsnost (na rozdíl od plazmových nástřiků)
- Barevná variabilita s možností vysokého lesku
- a mnoho dalších…
Je PVD jen jedna technologie, nebo je více druhů PVD?
Je to trochu složitější. Depozice z par se v základu dělí na PVD (Fyzikální depozice z par) a CVD (Chemická depozice z par). To jsou dvě velice rozdílné technologie, které mají podobný název.
CVD využívá jako zdrojový materiál pro depozici chemické prekurzory (chloridy, fluoridy, silany atd.) a vyžaduje teploty povlakování vyšší než 500 °C.
PVD jako zdrojový materiál používá takzvané „terče“ (angl. targety), vyrobené z kovů (Ti), slitin (AlTi) a keramik (B4C). Nevyžaduje tak použití nebezpečných chemikálií a povlakovací teploty mohou být v rozsahu 100 – 500 °C.
Samotná technologie PVD se potom dělí podle fyzikálního mechanizmu, jakým je z terče uvolňován zdrojový materiál, který je posléze nanesen na povlakovaný dílec. K uvolnění zdrojového materiálu může být použito několik pokročilých fyzikálních mechanizmů, jako lokální roztavení materiálu laserem, iontovým dělem apod. Nejjednodušším postupem je roztavení materiálu klasickým odporovým ohřevem. V SHM používáme dvě nejrozšířenější technologie využívající pro uvolnění materiálu plasmatický výboj:
- Odpařování elektrickým obloukem
materiál na povrchu terče je v mikroskopickém objemu roztaven elektrickým obloukem (stejný princip jako svářečka) a vniklá kovová pára následně kondenzuje na površích dílce, čímž vniká povrchová vrstva. - Odprašování magnetronovým výbojem
Pomocí intenzivního elektrického pole jsou vytvářeny ionty Argonu (Ar+) a ty jsou urychlovány proti terči. Ionty Argonu na povrch zdrojového materiálu dopadají jako dělové koule a mechanicky z něj vyrážejí atomy, které jsou následně urychlovány na povlakovaný dílec a zde kondenzují. Atom po atomu tak vniká velice tenká povrchová vrtsva, která ale může dosahovat vlastností, jakoukoli jinou technologií nedosažitelných.
U nás V SHM využíváme také patentovanou technologii, která kombinuje výhody obou výše zmíněných a umožňuje nám tak dosahovat nových pokročilých vlastností PVD vrstev.
Kde se s PVD nejčastěji setkám?
Pokud se pohybujete v průmyslu… pak zejména na obráběcích a tvářecích nástrojích. Vrtácích, frézách, výstružnících, odvalovacích frézách, ohybnících, tažnících, raznicích, strojních pilách. Ale i na formách pro lití hliníku, či vstřikování plastu. Na třecích elementech. Optických senzorech či elektrických kontaktech…
Pokud se zabýváte optikou… tak dnes již téměř na všech optických elementech od dioptrických brýlí, přes čočky, zrcadla, filtry, clony, laserové optické soustavy atd. PVD vrstvy (nejčastěji na bázi oxidů) mohou sloužit pro filtraci určitých vlnových délek, nebo naopak pro pohlcování co nejširšího světelného spektra atd.
Pokud míříte do vesmíru… na teleskopech, zrcadlech, třecích elementech vesmírných lodí i převodových soukolích robotických vozidel používaných pro zkoumání povrchů cizích planet.
Jako obyčejný smrtelník… na površích hodinek, dekorativních předmětů v automobilech (kliky dveří, rámečky ventilace…), na dioptrických i slunečních brýlích, příborech, bižuterii (pozor není všechno zlato co se třpití ;). Také na dentálních, kloubních a kostních náhradách a implantátech atd.
Jak velké díly / nástroje můžete povlakovat?
U standardních nástrojů jsme limitovaní povlakovací výškou 490 mm a rotačním průměrem nástroje 500 mm. Pokud se jedná o nástroje s jedním z rozměrů výrazně větším („tvar tyče“) jsme schopni povlakovat nástroje s délkou až 800 mm.
Jak moc tvarově složité dílce můžete napovlakovat?
Teoreticky jakkoli složité, ale vše má své limity. Z hlediska geometrie jsou problematické zejména vnitřní dutiny malých průměrů, vzájemně se překrývající geometrie a velice ostré hrany a hroty (< 5 µm). Povlak je tvořen po jednotlivých atomech, které putují od zdrojového terče k povlakovanému dílci po víceméně lineární trajektorii. Pokud jsou tedy některé plochy geometricky „zastíněny“ jinými prvky dílce, nebude na nich vznikat skoro žádný povlak. Například vnitřní závit tak nelze téměř vůbec napovlakovat. Velmi ostré hrany a hroty mohou být iontovým bombardem během procesu poškozeny (mikroobráběcí nástroje), což lze ale úspěšně potlačit optimalizací procesu.
Jaké materiály je možné povlakovat?
Obecně, většinu kovových a keramických materiálů. Materiál musí vydržet povlakovací teplotu a hluboké vakuum, což vylučuje
- Oceli, litinu lze ve většině případů povlakovat bez problému. Je však nutné předem konzultovat zejména teplotní omezení, aby nedošlo ke ztrátě vlastností po tepelném zpracování materiálu.
- Slinuté karbidy (tvrdokov) a cermety lze povlakovat bez problému.
- Hliník a jeho slitiny povlakovat lze, ale pokud se jedná o tepelně zpracovaný dílec dojde vlivem povlakovací teploty k jeho „popuštění“. Většina hliníkových slitin, které dosahují svých mechanických vlastností díky tepelnému zpracování (například rozpouštěcí žíhání a precipitační vytvrzení) má teploty rekrystalizace okolo 150 – 180 °C. „Nízkoteplotní“ PVD procesy mají minimální povlakovací teplotu 200 °C.
- Měď a její slitiny lze technologicky povlakovat bez problému. Jediným omezením je přítomnost prvků, jako je olovo, zinek a beryllium.
- Povlakování keramiky je technologicky náročné, ale možné. Vždy to však záleží na konkrétním typu keramiky, její porozity a odolnosti proti teplotnímu namáhání. PVD vrstva může na povrchu keramického dílce sloužit například jako elektrikcy vodivý spoj s vysokou odolností proti mechanickému poškození.
Jaké materiály není možné v SHM povlakovat?
becně, většinu kovových a keramických materiálů. Materiál musí vydržet povlakovací teplotu a hluboké vakuum, což vylučuje
- Kapalné a plynné
- Toxické, radioaktivní a reaktivní (například Lithium).
- Zinek a pozinkované dílce, kadmium, cín, olovo a jejich slitiny do PVD komory zásadně nesmí! Ve vakuu se intenzivně odpařují a mohou poškodit vakuovou aparaturu PVD zařízení.
Lze povlakovat plasty?
Ano, v SHM ale plastové komponenty nepovlakujeme. Naše zařízení jsou letitě optimalizovaná pro dosahování nejvyšší přidané hodnoty u povlaků na průmyslové nástroje, kde se povlakovací teploty pohybují od 300 do 550 °C. Polymery vyžadují povlakovací teploty < 100 °C. Takto nízké teploty pro nás nejsou technologicky optimální. A povlakování plastových komponent (například dekorativními vrstvami) pomocí naší vysoce specializované technologie není ekonomicky výhodné.
Lze povlakovat pájené nástroje?
Ano, ale vždy je nutné předem si odsouhlasit konkrétní typ použité pájky. Běžně povlakujeme dílce a nástroje, které jsou pájeny stříbrnými pájkami. Naopak pájky s obsahem zinku, kadmia a olova do PVD komory nesmí přijít, kvůli své nízké tenzi nasycených par a nebezpečí poškození vakuové aparatury.
Máte možnost povlakování pomocí technologie HiPIMS?
Ne. Po rozsáhlé odborné rozvaze jsme se rozhodli tuto technologii neadoptovat. Místo toho jsme vyvinuli vlastní technologii, která nám umožňuje připravovat PVD vrstvy se stejnou i vyšší kvalitou (stupeň ionizace, atomární hustota, mechanické vlastnosti), jako je možné pomocí technologie HiPIMS, avšak bez jejích technologických negativ.
Jste schopní pomocí PVD povlaku zvýšit životnost frézy, odvalovací frézy, vrtáku, obráběcí destičky, ohybníku, kovacího beranu, raznice, nebo střižníku?
U všech těchto nástrojů je odpověď jednoznačně ANO. Kontaktujte nás pro konzultaci řešení ušitého na míru Vaší aplikaci.
Potřebuji snížit tření mezi dvěma povrchy, ale klasická lubrikace již nedostačuje. Může pomoct PVD vrstva?
Ano, v nabídce SHM je množství kluzných vrstev na bázi uhlíku, nebo nitridu bóru s extrémně nízkými koeficienty tření.
Potřebuji zvýšit přípustnou odformovací teplotu vstřikolisu, snížit odformovací síly, nebo minimalizovat nalepování. Může být řešením PVD.
Ano, ale vždy záleží na konkrétním zpracovávaném materiálu a parametrech procesu.
Potřebuji elektricky odizolovat dva vodivé povrchy, ale není mezi nimi dostatek prostoru pro keramickou, nebo plastovou izolaci. Mohla by pomoc PVD vrstva?
Ano, vyvinuli jsme speciální izolační vrstvu, která může zabránit elektrickému průrazu a lze ji nanést v tloušťkách od jednotek po desítky mikrometrů.
Má ta zlatá barva na vrtácích nějaký reálný efekt?
To záleží… Pokud je to zlatý lak na vrtáku v supermarketu, pak pouze dekorativní a marketingový. 😉 Pokud se však jedná o PVD vrstvu nitridu titanu – TiN – potom má efekt zcela zásadní. Tato vrstva je sice základní typ PVD povlaku (a také jeden nejstarších), i tak ale dosahuje tvrdostí okolo 25 GPa, což je čtvrtina tvrdosti diamantu a násobně více, než tvrdost nejvýkonnějších nástrojových ocelí. Tato zlatá TiN vrstva tak může násobně zvýšit životnost vrtáku či jiného obráběcího nástroje, a to tím víc, z čím méně kvalitní oceli je vyroben. U pokročilých Hi-Tech povlaků, jako jsou například nanokompozitní povlaky v nabídce SHM, se již nebavíme o hobby nářadí, ale o zvyšování životností vysoce přesných nástrojů pro CNC obrábění v řádech někdy i stovek procent. A to je teprve začátek.
Dosahují Vaše PVD vrstvy kvality velkých nadnárodních povlakářských společností?
Přesvědčte se sami. Jsme malá firma, která ale za 30 let svojí existence vždy stála na intenzivním vývoji a výzkumu s prstem na tepu nejnovějších poznatků a trendů v odborné obci. Můžeme se tak pochlubit nejedním vyhraným konkurenčním soubojem.
Vyřeší PVD povlak jakýkoli technický problém, se kterým se lze u průmyslových nástrojů setkat.
Ne. Je mnoho technických problémů, které jsou na současné úrovni poznání neřešitelné. Ale uděláme maximum pro to, aby se mezi nepočítal právě ten Váš.