Świadomość tego, jakie znaczenie dla żywotności narzędzi mają właściwie dobrane powłoki, nieustannie się zwiększa. Firmy pracują nad nowymi technologiami powlekania, wiedząc, że wydajność procesów wytwarzania to jeden z kluczowych czynników konkurencyjności przedsiębiorstw produkcyjnych. Według przygotowanej przez agencję Markets and Markets prognozy globalnej do roku 2026 dotyczącej rynku powłok twardych obszar ten będzie się charakteryzował wysoką dynamiką wzrostu. Przewiduje się, że globalny rynek powłok twardych osiągnie wartość ok. 1,35 mld dolarów do 2026 r., a skumulowany roczny wskaźnik wzrostu (CAGR) utrzyma się na poziomie 8,0% w latach 2016–2026.

W ciągłym rozwoju

Stosowanie powłok narzędzi skrawających w celu zwiększenia ich trwałości zaczęło się rozpowszechniać w latach 70. ubiegłego wieku. Współczesne procesy obróbcze podlegają dynamicznym zmianom, również pod względem materiałów, z jakich wykonuje się narzędzia – do konwencjonalnych metali żelaznych i nieżelaznych dołączyły m.in. kompozyty, ceramiki i różne egzotyczne stopy – co wymaga opracowywania nowych formulacji powłok i udoskonalania metod ich osadzania.

Powłoki narzędzi tworzone są głównie przez azotki, węgliki i węglikoazotki takich pierwiastków jak: tytan, glin, krzem, chrom, cyrkon. Różnią się one m.in. współczynnikiem tarcia, twardością czy temperaturą utleniania. W zastosowaniu przemysłowym są powłoki zarówno jedno-, jak i wielowarstwowe. W tym ostatnim przypadku współdziałanie warstw umożliwia uzyskanie lepszych własności narzędzia. Wykorzystanie nowoczesnych wersji powłok oznacza zwiększenie nie tylko odporności narzędzi na ścieranie, ale też ich odporności termicznej, co wpływa na zwiększenie prędkości skrawania i tym samym wzrost mocy produkcyjnych. Lepsza jakość narzędzi osiągana jest dziś m.in. dzięki rozwojowi nanotechnologii i możliwości osadzania kolejnych, cienkich warstw powłok. Na zmiany w obszarze powlekania wpływ mają także czynniki środowiskowe. Producenci coraz bardziej interesują się obróbką na sucho, która pozwala ograniczyć problemy związane z używaniem i utylizacją płynów chłodzących. Wymogom takiej obróbki sprostają jednak tylko narzędzia zapewniające dobre odprowadzanie wiórów, z powłoką odporną na ciepło.

Dobre, bo sprawdzone

Tradycyjnie stosowane są dwa sposoby nakładania powłok: chemiczne osadzanie z fazy gazowej (ang. Chemical Vapour Deposition – CVD) oraz fizyczne osadzanie z fazy gazowej (ang. Physical Vapour Deposition – PVD). Proces CVD jest dość skomplikowany – w skrócie gazy wprowadzane są do komory powlekania, gdzie podlegają reakcjom chemicznym i osadzają warstwę powłoki na poszczególnych narzędziach.

Klasyczne metody CVD, tzw. niewspomagane, zazwyczaj prowadzone są przy ciśnieniu atmosferycznym. Do rozkładu gazowych substancji reagujących i przebiegu reakcji chemicznych konieczne są wysokie temperatury – 900–1100°C lub nawet większe. Jednak oprócz temperatury prowadzenia procesu na właściwości powstałych warstw wpływają też m.in. takie parametry jak przygotowanie powierzchni powlekanego materiału czy ciśnienie i skład gazu wprowadzanego do układu. Nowoczesne metody CVD pozwalają znacząco obniżyć wymaganą temperaturę procesu: do 500–700°C, a w przypadku osadzania nanowarstw – nawet do 450°C.

Metoda PVD jest późniejsza, ale zyskała zdecydowanie większą popularność niż CVD. W procesie PVD zazwyczaj nakładanie powłoki odbywa się poprzez rozpylanie, sublimację (naparowanie) lub napylanie. Metody te wspierane są m.in. 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 procesu PVD nie zachodzą przemiany chemiczne, a całość odbywa się w relatywnie niskich temperaturach (tradycyjnie 0–200°C). Dzięki temu, że nie występują tu takie ograniczenia temperaturowe jak w przypadku powlekania chemicznego, metoda PVD pozwala pokrywać narzędzia ze stali i oddawać je bezpośrednio do użytku bez konieczności dodatkowej obróbki cieplnej, co jednocześnie zmniejsza ryzyko zniekształcenia bądź zmiękczenia narzędzia. Metoda PVD, nazywana „procesem na zimno”, świetnie nadaje się do powlekania konwencjonalnych narzędzi skrawających (frezów, wierteł itp.).

Obie techniki – CVD i PVD – występują dziś w różnych odmianach. Sporą popularność zyskują metody wspomagane plazmą, pozwalające m.in. na obniżenie temperatury procesu czy wstępne oczyszczenie powierzchni podłoża.

Pożądana twardość diamentu

Choć rozwój rynku narzędzi pociąga za sobą raczej wzmożone zainteresowanie metodą PVD, to okazuje się, że także chemiczne osadzanie powłok znajduje ciekawe obszary zastosowania. Technologia ta ma wyraźną przewagę nad PVD np. w obszarze powłok diamentowych i diamentopodobnych (DLC), których rozwój związany jest z wykorzystaniem nowych materiałów, takich jak grafit, kompozyty czy ceramika. W raporcie agencji Research and Markets przewiduje się wzrost rynku powłok diamentowych z 1,76 mld dolarów w 2017 r. do 2,56 mld dolarów w 2022 r. Jednym z wpływających na to czynników jest oczekiwana coraz większa trwałość narzędzi skrawających.

Do cięcia materiałów reagujących na diament można wykorzystać także narzędzia powlekane metodą PVD, jednak ten sposób nanoszenia powłoki diamentowej nie zapewnia jej długiej żywotności. Co ważne, narzędzia pokryte warstwą diamentową nie są uniwersalne – sprawdzają się w ściśle określonych zastosowaniach, np. w pracy z grafitem i kompozytami, ale już nie ze stopami stali. Materiały zawierające żelazo mogą powodować nadmierne nagrzewanie powłoki i uszkodzenie zarówno narzędzia, jak i obrabianej części.

Czujni producenci

Rosnący rynek powłok i technologii powlekania skutkuje nowymi rozwiązaniami i propozycjami przedsiębiorców. Na przykład amerykańska firma Ti-Coating coraz częściej wykorzystuje połączone technologie – np. metodę CVD na bazie PVD. Ponadto obok usługi powlekania opracowała ciekawą ofertę czyszczenia części samolotów w wykorzystującym bardzo wysokie temperatury piecu CVD.

Niektórzy producenci narzędzi tnących nabywają własny sprzęt do powlekania bądź podejmują współpracę z firmami oferującymi takie usługi. Na przykład firma NTR-Polska oferuje m.in. repowlekanie (powłokami PVD) szerokiego spectrum narzędzi z węglików spiekanych lub ze stali szybkotnących.

Światowej klasy technologie powlekania PVD dostarcza firma Oerlikon Balzers, która opracowała powłokę Balinit Aldura, składającą się z bazowej warstwy TiAlN, gwarantującej doskonałą adhezję i polepszającej wytrzymałość mechaniczną, oraz warstwy podstawowej o strukturze nanokrystalicznej na bazie AlCrN, która zapewniającej bardzo wysoką twardość na gorąco, odporność na utlenianie i dobrą izolacyjność termiczną. Kolejna propozycja firmy to powłoka Balinit Alnova, charakteryzująca się wysoką odpornością na zużycie, zdolnością do przenoszenia obciążeń mechanicznych, wytrzymałością na ostrzach skrawających i obniżeniem sił skrawania.

Wybierając tego typu usługę, zawsze trzeba pamiętać, że drogą do sukcesu, czyli osiągnięcia najdłuższej możliwej żywotności narzędzia, jest właściwy dobór metody powlekania, uwzględniający m.in. materiał, z jakiego wykonano narzędzie, oraz docelowe warunki jego pracy.

 

Wybrane źródła: http://zasoby.open.agh.edu.pl, advancedmanufacturing.org, M.W. Richert, P. Zawadzka, Powłoki użytkowe na narzędziach i częściach maszyn dla przemysłu metali nieżelaznych, AGH