Projekti / Programi
Razvoj nove generacije trdih prevlek s pulznim naprševanjem
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.01 |
Tehnika |
Materiali |
Anorganski nekovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
Raziskovalci (12)
Organizacije (3)
Pomen za razvoj znanosti
Pomemeben napredek na področju plazemskega inženirstva površin je bil narejen z razvojem nanostrukturnih prevlek. Zanje je značilna velika gostota mej bodisi med posameznimi plastmi v nanoplastni strukturi ali med nanokristaliti keramične faze, ki je vgrajena v matrico amorfnega materiala. Te meje ovirjajo širjenje dislokacij in napredovanje mikrorazpok. Velika gostota mej poveča makroduktilnost, zato so takšne prevlek bolj žilave.
Pulzno magnetronsko naprševanje pri veliki vršni moči (HPPMS) je nov način priprave takšnih naprednih prevlek, ki se v industrijski proizvodnji šele uveljavlja. Omogoča pripravo nove generacije trdih prevlek z boljšimi lastnostmi od klasičnih. Bistvo postopka je specifično napajanje, s katerim generiramo pulze vršne moči okoli megavata, pri čemer pa je njihovo trajanje le nekaj deset mikrosekund. Pri takšni gostoti moči se material tarče ob uparitvi skoraj v celoti ionizira, kar omogoča nastanek prevlek z nanokristalinično mikrostrukture in odlično adhezijo na podlage.
Pulzno naprševanje pri manjši moči omogoča nanašanje prevlek na temperaturno občutljive podlage (jekla popuščana pri nizki temperaturi, Al- in Cu-zlitine). Nanašanje prevlek pri nizki temperaturi zahteva poznavanje fizikalnih procev v plazmi, ki vodijo do segrevanja podlag. Z vidika kvalitete prevlek pa je pomembno vedenje o tem, kako energija uparjenih delecv vpliva na mikrostrukturo in oprijemljivost prevlek in kako lahko vplivamo na njihovo energijo.
Rezultat tega projekta so znanja, ki smo jih pridobili in razvoj inovativnih tehnologij za pripravo naprednih zaščitnih PVD-prevlek. Napredek znanosti in tehnike je spodbudil razvoj novih materialov za trde prevleke in postopkov za njihovo pripravo, ki omogočajo izdelavo bolj učinkovitih rezalnih in drugih orodij. Te izboljšave vključujejo tako izboljšanje triboloških lastnosti (velike trdota, abrazijska in erozijska obstojnost, majhen koeficient trenja in drsenja), korozijske obstojnosti, termične stabilnosti, kontrolo toplotne prevodnosti itd. Mnoge od teh zahtev izhajajo iz potreb industrije, ki uporablja trde prevleke na rezalnih orodjih, da poveča njihovo obstojnost, produktivnost, hitrost obdelave in zmanjša stroške obdelave. Razvoj na področju trdih prevlek in postopkov inženirstva površin je zaradi sinergije napredka na področju materialov in postopkov nanašanja prevlek, zelo hiter.
Rezultati tega projekta (okrog 10 znanastvenih publikacij, dve doktorski deli, 1 patent, industrijska uporaba 4 novih trdih prevlek) predstavljajo prispevek predvsem na področju raziskav nanostrukturnih prevlek, kakor tudi na področju njihove uporabe za zaščito orodij in komponent. V okviru tega projekta smo uspeli razrešiti nekatere probleme (vpliv rotacije podlag na uniformnost večplastnih in nanoplastni prevlek, vpliv defektov na tribološke lastnosti prevlek), ki so bili povezani s samim procesom nanašanja in lastnostmi nanostrukturnih prevlek, smo uspeli razrešiti.
Pomen za razvoj Slovenije
Za obdelavo in oblikovanje širokega spektra materialov potrebujemo kvalitetna orodja. Le kvalitetna orodja omogočajo zanesljivo proizvodnjo, veliko produktivnost in dobre izdelke. Novi tehnološki postopki obdelave, novi materiali, novi izdelki, zahteve po večji obstojnosti orodij, večji produktivnosti – vse to zahteva nenehen razvoj orodnih materialov in postopkov zaščite orodij. Uporaba trdih prevlek za zaščito orodij je zato neizbežna.
Ena ključnih tehnologij za oplemenitenje površine orodij in strojnih delov je plazemsko inženirstvo povšin. Na tak način na površino orodnega materijala nanesemo nekaj mikrometrov debelo plast zelo trdega keramičnega materiala. Z orodji, ki so zaščitena z naprednimi nanostrukturnimi trdimi prevlekami, lahko obdelujemo kaljena jekla, različne kompozite ter nikljeve in titanove zlitine, ki se sicer zelo težko obdelujejo. Plazemsko inženirstvo površin je torej osnova sodobnega orodjarstva. Plazemsko inženirstvo površin so postopki obdelave površine, ki skupaj s podlago prinaša izboljšane lastnosti celotnega sistema. Da bi dosegli želeno lastnost materiala, v mnogo primerih ni treba spreminjati lastnosti masivnega materiala v celoti, ampak lahko s primernim postopkom inženirstva površin spremenimo le lastnosti površine. Eden od načinov plazemskega inženirstva površin je nanos tankih plasti z ustreznimi lastnostmi.
V Odseku za tanke plasti in površine na Instututu »Jožef Stefan« se ukvarjamo z raziskavami trdih zaščitnih prevlek že večkot 30 let. Doslej je raziskovalna skupina intenzivno sodelovala s slovensko industrijo. V industrijsko proizvodnjo smo uspešno vpeljali tri generacije trdih prevlek, ki jih uporablja večkot 150 industrijskih partnerjev iz strojne industrije (predvsem avtomobilske), elektronske in farmacevtske industrije. Trde prevleke povečajo obstojnost orodij in omogočijo večjo produktivnost proizvodnje. Čeprav je glavni pomen trdih prevlek gospodarski, pa imajo le-te tudi druge prednosti. Tako se zmanjša poraba strateško pomembnih surovin za izdelavo orodnih materialov (Ni, Co, W, Mo). Z ekološkega vidika pa je pomembna manjša poraba energije (trde prevleke zmanjšajo trenje, zato so rezalne sile in sile preoblikovanjamanjše), manjša je poraba hladilno-mazalnih tekočin (uporabi le-teh se lahko v nekaterih primerih izognemo). Manjša poraba hladilno-mazalnih tekočin pozitivno vpliva tudi na zdravje ljudi, saj so aerosoli teh tekočin kancerogeni (problem je izrazit zlasti pri visokohitrostni obdelavi). PVD-prevleke lahko uspešno nadomestijo nekatere prevleke, ki so z ekološkega vidika problematične (npr. trdi krom). Industrija orodij in zaščita orodij in strojnih delov s trdimi prevlekami sta proizvodni področji z veliko dodano vrednostjo.
Doslej je bilo to področje v Sloveniji konkurenčno na svetovnem trgu, orodjarstvo pa tista gospodarska dejavnost, kjer smo Slovenci že dolgo časa med vodilnimi v Evropi. Znanje, ki smo si ga pridobili v okviru izvajanja tega projekta, nam je omogočilo razvoj postopka pulznega magnetronskega nanašanja pri veliki vršni moči in pripravo nove generacije trdih PVD-prevlek na tak način. Nekatere od teh prevlek smo že prenesli v industrijsko proizvodnjo.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
