Jesteśmy przedstawicielami HVM PLASMA s.r.o.

Dążenie do polepszenia własności użytkowych produktów poprzez naniesienie na jego powierzchnię innego materiału ma długą tradycję.
Postęp naukowy 20-go wieku głównie w obszarze fizyki plazmy, materiałów stałych i próżni, ogromnie umożliwił rozszerzenie technologii nakładania cienkich warstw w wielu różnych dziedzinach. Jedną z progresywnych metod jest PVD (Physical Vapour Deposition), przy której pokrywane części są umieszczane w komorze próżniowej i cienkie warstwy powstają w wyniku kondensacji atomów albo jonów metalu uwalnianych ze stałej (ewentualnie ciekłej) tarczy w wyniku fizycznych procesów odparowania albo rozpylania. Jeżeli do komory jest dostarczany równocześnie reaktywny gaz, należy w ten sposób przygotowywać również związki chemiczne jak np. azotki, węgliki, tlenki itp.

Jedną z firm, która jest ukierunkowana na rozwój nowych rodzajów pokryć, jest czeska HVM PLASMA s.r.o. Firma ta ma obecnie dwa ośrodki w Pradze i w Modřicach koło Brna z sześcioma urządzeniami holenderskiej firmy HAUZER. Wielkość wsadu (aż 1000mm x 1000mm) i pojemność należy do największych w Europie środkowej.

Obszar zastosowania twardych warstw należy podzielić na cztery sektory. Historycznie najstarsza jest warstwa zastosowana w narzędziach skrawających, tnących i kształtujących. Warstwy o grubości kilku mikrometrów podwyższają trwałość narzędzia od 2x aż do 100x.

Drugim obszarem jest zastosowanie jako warstwy dekoracyjne na okuciach drzwi i okien, bateriach do wody, oprawkach okularów, kopert zegarków itp., gdzie jest istotna odporność na otarcia oraz chemiczna stałość tych warstw. Następny obszar, gdzie ta metoda przeżywa wielki boom jest przemysł samochodowy i tekstylny. Ostatni obszar to aplikacje specjalne.

W medycynie stosuje się te warstwy na narzędzia lekarskie, na protezy przegubów oraz inne implanty, które charakteryzują się doskonałą biokompatybilnością.

Oprócz znanych warstw jak azotek tytanu (TiN), azotowęglik tytanu(TiCN) lub tytan aluminium azotek (TiAlN), na tych nowoczesnych urządzeniach można wykonywać również pokrycia azotek chromu (CrN), lub warstwy z bardzo małym współczynnikiem tarcia węglik wolframu (WC/C:H) i DLC.
Istotną częścią technologii firmy HVM PLASMA jest również możliwość powtórnego pokrywania.
Pokrycia PVD charakteryzują się wysoką twardością, nawet dziesięciokrotnie przewyższająca twardość stali, małym współczynnikiem tarcia i dużą odpornością na ścieranie. Te właściwości pozwalają na kilkukrotne zwiększenie żywotności części i narzędzi pracujących w ekstremalnych warunkach obciążeń mechanicznych, ścierania i korozji.

Nowe warstwy odporne na ścieranie.

Firma PVD PLASMA już kilka lat temu ukierunkowała się na rozwój technologii warstw PACVD na bazie węgla, które charakteryzują się ekstremalnie niskim współczynnikiem tarcia i małą ścieralnością. Dotyczy to tych warstw, które tworzą grupę materiałów o różnych właściwościach od miękkich plazmowych polimerycznych warstw, aż po twarde warstwy znane pod symbolem DLC (Diamond Like Carbon), jak również cienkie warstwy polikrystalicznego diamentu. Nazwa "diamond like" (podobne do diamentu) powstała z charakterystycznych właściwości tych warstw, które przypominają właściwości diamentu (optyczne, elektryczne, chemiczne, trybologiczne), ale głównie dzięki potrójnym wiązaniom między węglami.
Między podstawowymi parametrami, które określają właściwości warstw DCL, oprócz stosunku węgla do wodoru, istotna jest również ilość wiązań między tymi pierwiastkami i koncentracja wiązań sp3, sp2 i sp1,ewentualnie, jeżeli warstwy są "dopingowane" jeszcze innymi pierwiastkami.
Warstwy DLC jednak charakteryzują się następującymi właściwościami:

  • Wysoka twardość (10-60 Gpa);
  • Wysokie wewnętrzne naprężenia ciśnieniowe (do 10 Gpa);
  • Niski współczynnik tarcia , mniejszy niż 0,1;
  • Wysoka odporność na ścieranie (aż do 10-7 mm3. Nm-1);
  • Trwałość chemiczna;
  • Wysoki opór elektryczny ( 1016 cm);
  • Optyczna przezroczystość w widzialnym i infraczerwonym spektrum.

    Gęstość
    g/cm3
    Twardość
    GPa
    sp3
    %
    H
    at.%
    Diament
    3,5
    100
    100
    0
    Grafit
    2,3
    0
    0
    Polietylen
    1,3-1,6
    2-3
    0
    67
    a-C
    1,9-2,0
    2-5
    1
    0
    ta-C
    3,0
    60-100
    85-95
    0-9
    a-C:H twarde(DLC)
    1,6-2,2
    10-40
    40-71
    10-35
    a-C:H miękkie
    0,9-1,6
    2-5
    35-50
    35-50
    Robertson, J.-Diamond and Related Materials, vol.1,s.397-406

    Firmie HVM PLASMA udało się rozwinąć technologię pokrywania warstw C:H. Jest to amorficzna twarda warstwa węgla z zawartością wodoru ok. 20%, przeznaczoną na metale i niemetale. Tą technologię zaadoptowano do urządzeń przemysłowych z objętością komory do 3 m3 .
    Pokrywane przedmioty są umieszczane w komorze próżniowej, z której jest następnie wypompowane powietrze na wysoką próżnię (zbliżone z próżnią w której latają rakietoplany). Po podłączeniu pokrywanych detali pod źródło napięcia jest do komory doprowadzany węglowodór (metan, acetylen), który w polu elektrycznym jest doprowadzony do stanu plazmatycznego. W tych wyładowaniach elektrycznych molekuły węglowodoru są rozszczepione na wolne rodniki, które na powierzchni przedmiotów tworzą warstwę węglową (o grubości kilku mikrometrów) o wymaganej strukturze i składzie. Dobrą przyczepność warstwy DLC do podstawowego materiału osiąga się poprzez naniesienie specjalnej międzywarstwy. Depozycyjna temperatura warstw waha się od temperatury pokojowej aż do temperatury 250°C.

    Niezbędnym dopełnieniem technologii plazmowych jest również usuwanie zużytych warstw, bez uszkodzenia powierzchni pokrywanego detalu.
    Powszechnie stosowane twarde warstwy jak TiN, TiAlN, TiCN czy CrN, przeważnie się usuwa w chemicznych kąpielach. Nie skutkuje to na warstwy DCL, które w temperaturze pokojowej są praktycznie chemicznie obojętne we wszystkich rozpuszczalnikach. Nie działają na nie ani kwasy, ani rozpuszczalniki organiczne czy silne mieszanki kwasów. Dlatego też mają zastosowanie jako idealna ochrona przed korozją. Do usuwania warstw DLC stosuje się bardzo kosztowne metody założone np. na reaktywnym plazmowym klejeniu lub stosuje się pulsacyjny strumień jonowy.

    Aplikacje warstw DLC.

    Unikalne właściwości warstw DLC - gładkość powierzchni, twardość i obojętność chemiczna w kombinacji z małym współczynnikiem tarcia w porównaniu z powszechnie stosowanymi metalami - razem z możliwościami ustawienia pożądanych właściwości zmianą depozycyjnych parametrów, umożliwiły jej rozszerzenie do tych gałęzi, w których do tej pory zawodzą powszechnie stosowane warstwy. Unikalne właściwości są powodem zastosowania ich z powodzeniem w aplikacjach w których tarcie jest niepożądane.
    Warstwy te charakteryzują się małym współczynnikiem tarcia, na sucho mniejszym niż 0,1, co jest interesujące przy porównaniu ze współczynnikiem tarcia 0,7 przy kombinacji stal-stal. Współczynnik tarcia jest u tych warstw 1000 razy mniejszy niż u materiałów niepokrytych.

    Dotyczy to właściwości, które pozwalają zastosować tą technologię w:
    przemyśle motoryzacyjnym (części silnika, części hydrauliczne, części wtryskiwania paliwa, części wymagające małego tarcia);
  • przemyśle maszynowym (formy wtryskowe, maszyny tekstylne, prasy);
  • W medycynie (implanty, narzędzia);
  • W optyce (lasery, szkła architektoniczne);
  • W elektronice (ochronna i samosmarująca warstwa twardych dysków, warstwa izolacyjna w mikroelektronice).

    W przemysłowej aplikacji nie można postępować tak samo jak w powszechnym stosowaniu twardych warstw, ale istotne właściwości warstw optymalizować w zależności od ich warunków pracy i celu zastosowania.

    Przemysł samochodowy.

    Wyroby przemysłu samochodowego muszą być niezawodne oraz wysokiej jakości. Spełnienie tych wymagań bez zastosowania nowoczesnych technologii byłoby w obecnych czasach bardzo trudne. Jednym z kierunków, na który nastawiony jest rozwój, jest maksymalne obniżenie tarcia i ścierania obciążonych części.
    Dużo części cierpi zmęczeniem materiałów, na przykład popychacz zaworów blisko wału korbowego, same wały korbowe, koła zębate. Zmęczenie materiału powoduje widoczne pęknięcie materiału na powierzchni. Te pęknięcia powierzchniowe mogą być mniejsze przez pokrywanie warstwami części narażonych na wysokie obciążenia. Twarde warstwy są skłonne do występowania defektów spowodowanych naprężeniom we warstwie. W celu ograniczenia wystąpienia pęknięć, między substratem a warstwą, stosuje się właściwą sprężystą międzywarstwę.

    Pokrywaniem warstwami DCL można wyraźnie zwiększyć trwałość:
  • Układu wtryskowego silników - konkretnie pompy, igły i gniazda;
  • Kół zębatych w skrzyni biegów.

    W obszarze wałów korbowych jest obecnie wyraźny trend w celu zwiększenia obciążenia pojedynczych części (popychacza zaworów, wałeczków i czopów), przy jednoczesnym obniżaniu całkowitych kosztów produkcji. Chodzi o pominiecie niektórych obróbek mechanicznych lub cieplnych. Poza tym warstwy PVD byłyby pomocne w obniżeniu zużycia paliwa.Dysza wtryskowa w silnikach Diesla podwyższyła ciśnienie z 1400 barów do 2200 barów. System wtryskowy Common-rail ma wiele różnych części, które można pokrywać warstwami. Takie części jak pompa wtryskowa są bardzo obciążone. Pokrycia DLC przeważnie się nanosi na tłoki pomp, panewki i wałeczki (sworznie).
    W niedalekiej przyszłości może być w każdym silniku nawet kilkadziesiąt części pokrytych tymi warstwami.

    Łożyska.

    Warstwy DLC łącząc twardość i małe tarcie przyczyniają się również do niższego zużycia i przedłużenia trwałości łożysk. Warstwą mogą być pokryte pierścienie lub części toczne - ewentualnie pierścienie i korpus. Najniższych wartości współczynnika tarcia uzyskuje się w łożyskach, gdzie jeden pierścień i części toczne są pokryte warstwą DLC. W przeciwieństwie do stałych smarów na bazie PTFE i MoS2 warstwy DCL mają tą wygodę, że się nie złuszczają przy wyższych ciśnieniach. Trwałość łożyska w zależności od warunków pracy przedłuża się z zasady dziesięciokrotnie przy niższych temperaturach pracy. Dotyczy to przede wszystkim przypadków z małym obciążeniem albo bez obciążenia, kiedy w normalnych warunkach dochodzi do awarii powstałej w wyniku ścierania. Niskie tarcie następnie zmniejsza zużycie i zapobiega zatarciu łożysk oraz umożliwia prace przy niskich temperaturach w sytuacjach z niedostatecznym smarowaniem lub przy wysokich obrotach. Wysoka twardość powierzchni łącznie z chemicznymi właściwościami węgla pozwala otrzymać wyższą odporność przed abrazywnym i adhezywnym zużyciem, czyli przedłuża trwałość w bardzo wymagających i zanieczyszczonych warunkach pracy. Najwięcej łożysk z warstwami DLC stosuje się w kompresorach, maszynach papierniczych i silnikach hydraulicznych. Na przykład w kompresorach występuje ścieranie powstałe przy pracy bez obciążenia, przy wibracjach i smarach o małej lepkości z trudnościami, które trudno rozwiązać. W silnikach hydraulicznych występuje małe tarcie powierzchni oraz wyraźnie obniżone zużycie łożyska.

    Inne zastosowania.

    Innymi możliwości zastosowania tych warstw są narzędzia do tłoczenia stali i aluminium, ruchome części form i oprzyrządowania, jak również gwintowniki do miękkich metali lub miękkiej stali, główne części form do tworzyw i gumy.
    Te ochronne warstwy stosuje się również w przemyśle tekstylnym, elektronicznym na głowice magnetyczne i dyski pamięci komputerów, przy produkcji CD, jako odporne na ścieranie warstwy na tworzywa, dekoracyjne warstwy w atrakcyjnym czarnym kolorze itp.
    W przyszłości baza komponentów będzie się nadal powiększała. Pokrywanie będzie się dostosowywać do specjalnych aplikacji. Technologie pokrywania warstwami CrN, WC/C, DLC będą się optymalizowały, jednak z punktu widzenia bezpośredniego zwiększenia objętości przy zredukowaniu kosztów nakładów na wykonanie warstw.


  •