Projekti / Programi
Barvne, absorpcijske in zaščitne nanoplastne prevleke za aluminijeve zlitine
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.01 |
Tehnika |
Materiali |
Anorganski nekovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T155 |
Tehnološke vede |
Prevleke in površinska obdelava |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
aluminijeve zlitine, trde PVD-prevleke, nanokompozitne prevleke, nanoplastne prevleke, magnetronsko naprševanje, anodna oksidacija, optične lastnosti, barva prevlek, otočkaste kovinske plasti, površinski plazmoni
Raziskovalci (18)
Organizacije (3)
Povzetek
Osnovni cilj predloženega projekta je:
a) zaščita orodij iz aluminijevih zlitin s sodobnimi ekološko neporečnimi postopki
Polirana orodja iz Al-zlitin se zaradi dobre obdelovalnosti, toplotne prevodnosti in majhne teže danes vse pogosteje uporabljajo zlasti za preoblikovanje plastike. Z nanosom ustrezne trde PVD-prevleke lahko bistveno izboljšamo obrabno in korozijsko obstojnost takšnega orodja. Še bolj pomembno pa je, da na tak način lahko zmanjšamo sprijemanje plastike na površino orodja. Tako se izognemu uporabi okolju škodljivih ločevalnih sredstev.
b) nanos dekorativnih (trdih) prevlek na (kovane) izdelke iz aluminijevih zlitin
Praktično vsak izdelek iz aluminijeve zlitine, ki je narejen z različnimi postopki obdelave (s procesi ulivanja, sintranja, utrjevanja, rekristalizacije in staranja, valjanja in vlečenja), se obdela z enim od postopkov inženirstva površin (anodna oksidacija, nanos konverzijske prevleke, lakiranje itd.). Namen površinske obdelave je izboljšanje estetskega videza izdelka ter povečanje korozijske in obrabne obstojnosti. S takšno dodelavo (pol)izdelkov iz aluminijevih zlitin se doseže bistveno večjo dodano vrednost.
V okviru tega projekta se bomo ukvarjali z razvojem naprednih, okolju prijaznih postopkov inženirstva površin, ki naj bi nadomestili obstoječe okolju škodljive. Takšni so sodobni fizikalni (vakuumski) PVD-postopki nanašanja nanokompozitnih in nanostrukturnih trdih prevlek pri nizki temperaturi. Z njimi lahko znatno izboljšamo tribološke lastnosti orodij in izdelkov iz Al-zlitin. S spreminjanjem sestave in strukture takšnih prevlek lahko spreminjamo tudi njihovo barvo. Napredne nanostrukturne prevleke za razliko od klasičnih, nudijo veliko več možnosti za obarvanje izdelkov. Od teh omenimo interferenco na mrežasti površinski strukturi ali na mreži luknjic (ki jo izdelamo z laserjem). V določenih vrstah nanostrukturnih PVD-prevlek pa lahko uporabimo pojav obarvanja s pomočjo površinske plazmonske resonance. Ta pojav opazimo npr. v presojnih trdih prevlekah, v katerih so dispergirani kovinski delci nanometrske velikosti.
Poleg navedenih fizikalnih postopkov bomo v okviru projekta razvijali postopke anodne oksidacije Al-zlitin, ki bodo omogočale barvanje površin z uporabo pigmentov oziroma nanašanja tankih plasti ogljika na anodizirano površino Al-zlitin.
V okviru tega projekta bomo pripravili različne nanokompozitne prevleke. Tako presojne prevleke kot kovinske nanodelce bomo nanesli s sočasnim naprševanjem iz segmentne tarče ali več različnih tarč. Preskusili bomo uporabo pojava površinskih plazmonov na tankoplastnih strukturah, sestavljenih iz treh plasti: spodnje kovinske plasti (npr. Al), dielektrične vmesne plasti (npr. Al2O3 ali SiO2, debeline okoli 50 nm) in vrhnje nezvezne plasti kovinskih otočkov. Pričakujemo, da bo takšna tankoplastna struktura dala barvni izgled zaradi površinske plazmonske resonance in zaradi interference.
Podjetje Stampal (sofinancer tega projekta), ki je del holdinga Impol Group, izdeluje kovane izdelke iz Al-zlitin z veliko vsebnostjo bakra. Kupci iz zgornjega cenovnega razreda se danes vse bolj odločajo za tiste dobavitelje, ki poleg surovih kovanih izdelkov ponujajo tudi končno obdelavo in površinsko zaščito. Medtem ko se za ta namen po navadi uporablja anodna oksidacija (eloksacija), pa ta ni najbolj primerna za zaščito kovanih izdelkov iz aluminijevih zlitin z visokim deležem bakra (zlitine serije AA 2xxx). Zato iščejo alternativne vrste barvnih, absorpcijskih in zaščitnih nanostrukturnih prevlek. Ena od možnosti je uporaba PVD-prevlek, ki bi nudila precej boljšo zaščito in obstojnost ter asortiman barvnih odtenkov. V okviru tega projekta bomo pripravili, karakterizirali in preskusili različne konvencionalne in napredne metode obarvanja podlag iz aluminijevih zlitin pri nizki temperaturi.
Pomen za razvoj znanosti
Poznamo različne fizikalne mehanizme, ki omogočajo nastanek barve kovinskih in dielektričnih tankih plasti. V splošnem je barva trdih snovi rezultat interakcije vpadle svetlobe s prostimi in vezanimi elektroni. Če je barva materiala odvisna le od strukture elektronskih pasov, govorimo o intrinsični barvi. Le-ta se izkorišča v večini primerov uporabe dekorativnih prevlek. Barva je določena z stehiometično sestavo prevleke, zato jo lahko spreminjamo le v omejenem obsegu. Če pa je prevleka dovolj tanka ali če je v vidnem delu spektra delno oziroma povsem presojna, potem pride do interference svetlobe, ki se odbije na mejah posmeznih faz. Govorimo o interferenčni barvi. V takšnih primerih barva prevleke ni določena samo z njihovo elektronsko strukturo (oz. optičnimi konstantami materiala), ampak tudi z geometrijo, t.j. debelino posameznih plasti. Drugi mehanizem, ki vodi do nastanka barve, so površinski plazmoni. Pri tem gre za kolektivno oscilacijo prostih elektronov v kovinskih nanodelcev, ki se nahajajo znotraj dielektrične matrice. Kovinski nanodelci zato absorbirajo svetlobo z izbrano valovno dolžino. Valovna dolžina svetlobe, ki se absorbira je odvisna od vrste materiala, ter velikosti in oblike delcev. Vsi zgoraj opisani mehanizmi se lahko uporabijo za generiranje barve prevlek, vendar pa niso vsi primerni kadar hkrati zahtevamo dobro obrabno obstojnost in estetski videz prevleke. Vedeti pa moramo, da ni ene same magične prevleke, ki bi izpolnjevala vse naše zahteve – za različne tribološke okoliščine moramo izbrati različne prevleke. V okviru naših raziskav smo preiskovali tankoplastni sistem v katerem je vrhnja plast trda prevleka AlTiN, ki jo nanesemo na spodnjo plast druge trde prevleke z veliko odbojnostjo (npr. TiN). Ugotovili smo, da je barva takšnega sistema rezultat interference in absorbcije v tanki plasti AlTiN. Ta način obarvanja trdih dekorativnih prevlek širi možnosti spreminjanja njihove barve brez poslabšanja njihovih triboloških lastnosti, hkrati pa barva ni odvisna od vpadnega kota gledanja. Da dosežemo optimalne funkcionalne lastnosti trdih prevlek mora biti temperatura podlag pri klasičnem magnetronskem naprševanju precej visoka (okrog 450°C). Tako visoka temperatura pa ni primerna za zaščito temperaturno občutljivih materialov, kot so npr. Al-zlitine. Pokazali smo, da z uporabo pulznega magnetronskega naprševanja lahko znižamo temperaturo podlag pod 180°C, ne da bi pri tem poslabšali funkcionalne lastnosti trdih prevlek. Raziskovali smo tudi procese v različnih Al-zlitinah. Znano je, da med anodno oksidacijo nastanejo v aluminiju heksagonalna ureditev nanopor. Takšno površino pogosto uporabljamo kot osnovo za sintezo različnih funkcionalnih nanostruktur. Mi smo takšne strukture nanopore uporabili za doseganje barvnih učinkov. Proces anodne oksidacije smo optimizirali za štiri različne Al-zlitine (2014, 2017, 7075, 6082). Parametre rasti oksidne prevleke, ki vplivajo na premer por, povprečno razdaljo med njimi in debelino oksidne plasti, smo optimizirali tako, da smo dosegli željeni barvni efekt.
Pomen za razvoj Slovenije
Povečanje obstojnosti orodja orodij pomeni ne samo manj obnov orodja in manj vzdrževalnih del, ampak tudi večjo produktivnost. Ta projekt je bil usmerjen v razvoj novih postopkov inženirstva površin, ter razvoja prevlek z prikrojenimi specifičnimi lastnostmi, ki bodo omogočile povečanje obstojnosti orodja in zagotovili estetski videz. Pri tribološki uporabi trdih prevlek njihova barva nima bistvenega vpliva na njihove funkcionalne lastnosti. Kljub temu pa daje izdelku pomembno dodatno vrednost. Tako npr. operater v proizvodnji hitreje zazna obrabo orodja preden nastanjejo večje poškodbe ali lom orodja. Barvne prevleke nam tudi omogočajo lažje ločevanje orodij prekritih z različnimi namenskimi prevlekami. Dekorativne prevleke na različnih izdelkih (ohišja ur, kopalniška oprema). Danes so številni izdelki za avtomobilsko in drugo industrijo narejeni iz temperaturno občutljivih aluminijevih ali magnezijevih zlitin. Zaščita takšnih komponent z trdimi dekorativnimi PVD-prevlekami je zato velik iziv za vse, ki se ukvarjajo z nanašanjem takšnih prevlek. Zaščita različnih komponent iz vsakdanjega življena z dekorativnimi trdimi prevlekami izbrane barve ne pomeni le povečanja estetske vrednosti izdelka ampak je hkrati tudi njegova zaščitna znamka. Barva zaščitnih prevlek je torej njihova pomembna značilnost tudi v primerih, ko jih ne uporabimo v dekorativne namene. Zato je zelo koristno, če obstaja možnost kreiranja njihove barve. V okviru tega projekta smo razvili nov postopek kreiranja barve trdih PVD prevlek, ki temelji na izkoriščanju interferenčnega efekta in absorbcije v polprepustni tanki plasti in spodnji plasti z veliko odbojnsotjo. Tak način kreiranja barve nam omogoča spreminjanje barve trdih PVD prevlek v širokem spektralnem področju, ne da bi pri tem poslabšali njihove tribološke lastnosti. To je nov način zaščite orodij in komponent z dekorativnimi trdimi prevlekami in zato predstavlja tehnološki izziv za industrijske partnerje. Rezultati tega projekta bodo omogočili sofinancerju, pa tudi širši industrijski panogi v Sloveniji, da ostanejo tudi dolgoročno konkurenčni. Pred nekaj leti smo modro nanoplastno prevleko že vpeljali v proizvodnjo in danes jo uporablja že več kot 20 industrijskih parnerjev. Podjetje STAMPAL d.o.o. v okviru holdinga Impol (Slovenska Bistrica) se ukvarja s kovanjem izdelkov iz aluminija. Za takšne izdelke je značilna kombinacija dobrih mehanskih lastnosti, dimenzijske natančnosti in kakovosti površine . Klasičen postopek zaščite izdelkov iz aluminijevih zlitin je anodna oksidacija, kjer se z dodatkom različnih pigmentov lahko dosegajo želeni barvni odtenki. Slabost omenjenega postopka je, da je neprimeren za alumijeve zlitine s povečano vsebnostjo bakra, ki pa so zaradi sposobnosti preoblikovanja in svojih mehanskih lastnostih ene najbolj primernih za proizvodnjo odkovkov. Zato se proizvajalci odkovkov na osnovi aluminijevih zlitin vse bolj zanimajo tudi za PVD prevleke. Interes družbe je, da bi trgu ponudil izdelke z višjo stopnjo dodelave - torej Al-odkovke s funkcionalno in estetsko obdelano površino, kar bi jim povečalo dodano vrednost in Impolu omogočilo, da se na področju kovanja uveljavi kot razvojni dobavitelj. Še enega aspekta ne smemo pozabiti. PVD-tehnologije so po vseh kriterijih ekološko kompatibilne. Ne puščajo strupenih odpadkov, tekočih kemikalij, aerosolov ali prahu. Poraba vhodnih materialov je minimalna, voda pa se uporablja le za hlajenje, pa še to je minimalno, če uporabljamo zaprt tokokrog. Z zamenjavo ekološko problematičnih kemijskih tehnologij za nanašanje prevlek in uvajanjem PVD-postopkov dosežemo širši pomen za družbo.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
