Kształtowanie pożądanych cech warstwy wierzchniej, a szczególnie struktury geometrycznej powierzchni (SGP), już w procesie wytwarzania jest bardzo ważnym problemem ze względu na zdolności elementów par kinematycznych do spełniania założonych – na etapie procesu konstruowania – funkcji w obiekcie technicznym. Tworzona w procesie technologicznym warstwa wierzchnia współpracujących elementów ma istotny wpływ na ich cechy użytkowe, które decydują o trwałości całej maszyny. Wśród nich można wymienić m.in.: odporność na zużywanie, wytrzymałość zmęczeniową, opory ruchu, odporność na korozję itp. Co ważne, procesy tribologiczne należy rozpatrywać zawsze dla pary elementów – w zależności bowiem od skojarzenia inna może być intensywność procesu zużywania, a nawet jego mechanizm.

Wpływ na strukturę powierzchni

Przyczyną utraty funkcjonalności elementów tworzących węzły cierne jest ograniczona odporność ich warstwy wierzchniej na niszczące działanie wymuszeń eksploatacyjnych. Pod wpływem tych czynników – mechanicznych, cieplnych, chemicznych, elektrycznych – w czasie pracy pary ciernej następują zmiany w warstwie wierzchniej. Powodują one na ogół różny stopień utraty zdolności do spełniania założonych konstrukcyjnie funkcji.

Jednym ze sposobów modyfikowania stanu struktury powierzchni współpracujących tarciowo elementów na etapie ich wytwarzania jest nanoszenie powłok metodami fizycznymi lub chemicznymi. Cienka – rzędu kilku mikrometrów – warstwa (najczęściej) ceramiki powoduje zmniejszenie intensywności procesu zużywania. Naniesiona powłoka ma bowiem znacząco większą twardość niż podłoże i tym samym jest bardziej odporna na skutki wymuszeń eksploatacyjnych. Naniesienie powłoki powoduje zmiany w strukturze powierzchni, które także mogą przyczyniać się do zmniejszenia intensywności procesu zużywania.

Zmiany stanu SGP są zależne od sposobu nanoszenia powłoki. Podstawowe metody otrzymywania cienkich warstw to chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) oraz fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD).

Chemiczne nanoszenie powłok

Konwencjonalne (tzn. niewspomagane) techniki wytwarzania warstw nanokrystalicznych metodami CVD polegają na osadzaniu materiału powłokowego z fazy gazowej w konsekwencji reakcji chemicznych zachodzących na powierzchni podłoża lub w jego sąsiedztwie. Parametrami, które wpływają na przebieg procesu, są: temperatura, skład chemiczny i warunki przepływu reagentów przez retortę.

Procesy CVD prowadzone są w szczelnych, ogrzewanych oporowo lub indukcyjnie retortach reaktora, przy ciśnieniu atmosferycznym lub obniżonym ciśnieniu atmosfery obróbczej, wytwarzanej najczęściej na bazie związków halogenków metali (lotnych w temperaturze procesu). Dodatkowo w skład atmosfer reaktywnych chemicznie wchodzić mogą: amoniak jako nośnik azotu, metan jako nośnik węgla, wodór jako gaz silnie redukujący oraz azot jako obojętny chemicznie gaz nośny. Reakcje chemiczne, które zachodzą w atmosferze gazowej, są aktywowane cieplnie, a wymagana temperatura niezbędna do efektywnego przebiegu procesu musi wynosić ok. 900°C.

Podstawową zaletą metod CVD jest bardzo dobre przyleganie warstw do podłoża, a główne wady to konieczność stosowania dużych temperatur i mała wydajność. Stosuje się je w sytuacjach, w których proces nakładania powłoki jest ostatnim zabiegiem technologicznym i pomimo dużej temperatury nie wpływa destrukcyjnie na strukturę i właściwości mechaniczne materiału podłoża. Tymi metodami wytwarza się najczęściej twarde i odporne na ścieranie oraz korozję powłoki węglików, azotków, węglikoazotków oraz tlenków metali na podłożach stalowych, ceramicznych i metalach wysokotopliwych.

Z uwagi na wspomniane cechy powłoki te znalazły szerokie zastosowanie przede wszystkim w pokrywaniu narzędzi skrawających oraz narzędzi do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco, zwiększając wielokrotnie ich trwałość. W przypadku nakładania powłok na elementy stalowe po procesie CVD należy przeprowadzić obróbkę cieplną (hartowanie i odpuszczanie) w celu utwardzenia podłoża, czego efektem są zawsze istotne odkształcenia hartownicze.

Fizyczne nanoszenie powłok

Procesy fizycznego osadzania powłok z fazy gazowej (PVD) polegają na zmianie stanu skupienia materiału powłokowego z wykorzystaniem technik próżniowych. Stosuje się dwie podstawowe metody zmiany stanu skupienia materiału, z którego wykonana będzie powłoka: odparowanie lub sublimację oraz rozpylanie pod wpływem wymuszeń fizycznych innych niż cieplne.

Proces nanoszenia powłok metodą PVD składa się z trzech podstawowych etapów: (1) otrzymywania par nanoszonego materiału, (2) transportu par na drodze źródło–podłoże, (3) wzrostu warstwy z zaadsorbowanych cząstek. W celu uzyskania prawidłowego przebiegu procesu temperatura podłoża powinna być niższa od temperatury źródła par, a suma ciśnień cząstkowych reagentów gazowych (gazów i par) w komorze musi być na tyle mała, aby parowanie spełniało warunki parowania swobodnego. Natomiast wymóg dobrej adhezji powłoki do podłoża wymaga bardzo dobrego przygotowania (oczyszczenia) powierzchni, gdyż temperatura substratu w trakcie osadzania materiału powłokowego jest niska.

Występuje wiele odmian technik PVD, które różnią się sposobem i lokalizacją strefy otrzymywania i jonizowania par nanoszonego materiału oraz sposobem krystalizacji tych par. Podstawowe z nich to rozpylanie jonowe, zwane również katodowym (sputtering), oraz magnetronowe rozpylanie jonowe (magnetron sputtering).

Powłoki PVD, podobnie jak CVD, znacznie zwiększają odporność na ścieranie, a więc i trwałość. Zastosowanie również jest podobne – są to głównie powłoki nakładane na narzędzia skrawające. Oprócz zwiększenia trwałości powłoki powodują lepsze odprowadzenie wióra, stanowią ochronę przed utlenianiem powierzchni narzędzia i ograniczają dyfuzje metal–metal.

Sprawdzone w badaniach

Aby ocenić istotność wpływu naniesienia powłoki na stan struktury powierzchni, który determinuje potencjalne cechy użytkowe, przeprowadzono rozpoznawcze badania eksperymentalne. Określono wartości wybranych parametrów chropowatości i stopnia izotropowości powierzchni przed naniesieniem powłoki i po dokonaniu tego.

Obserwowano powierzchnie pierwotne o wyraźnym braku ukierunkowania struktury (izotropowe) i powierzchnie o widocznej kierunkowości struktury geometrycznej powierzchni (anizotropowe) – i porównano je ze stanem po naniesieniu powłoki. Topografię tych powierzchni przedstawiają rysunki 1 i 2, a wartości zmierzonych parametrów zestawione są w tabeli. Badano powierzchnie izotropowe płytek narzędziowych wykonanych z węglika spiekanego WC (rys. 1). Anizotropią charakteryzowały się szlifowane powierzchnie ostrza wiertła krętego wykonanego ze stali narzędziowej 102Cr6 (rys. 2). W obu analizowanych przypadkach powłoka była wykonana z azotku tytanu TiN.

Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że powierzchnie z naniesioną powłoką charakteryzują się mniejszą wartością parametrów chropowatości niż przed naniesieniem powłoki – i to dla wszystkich analizowanych parametrów. Jednak w przypadku powierzchni izotropowej (węglik spiekany) względne różnice są niemal dwukrotnie większe niż dla powierzchni anizotropowej (stal narzędziowa).

Na przykład wartość parametru Ra w przypadku węglika spiekanego względnie uległa zmianie o ok. 23%, natomiast dla stali narzędziowej tylko o ok. 13%. Takiej dwukrotnej różnicy nie obserwuje się jedynie w przypadku parametru Rt – być może dlatego, że parametr Rt jest bardzo wrażliwy na pojedyncze zmiany struktury powierzchni, np. rysy. Ukształtowanie stereometryczne powierzchni wpływa więc na sposób rozkładu nanoszonych cząstek materiału powłokowego.

Jeżeli chodzi o stopień izotropowości, to obserwuje się jego zróżnicowaną zmianę po naniesieniu powłoki ceramicznej na badane materiały. W przypadku powierzchni o wyraźnym braku ukierunkowania struk tury (węglika spiekanego) zmiany te są nieznaczne, natomiast w przypadku powierzchni o dużej anizotropowości (stali narzędziowej) zmiany są wyraźne. Obie naniesione powłoki charakteryzują się zbliżonym stopniem izotropowości.

Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono wykresy stopnia izotropowości analizowanych powierzchni. Na podstawie analizy przedstawionych wykresów można stwierdzić duże zróżnicowanie zmiany stopnia izotropowości. Dla powierzchni z węglika spiekanego naniesienie powłoki wpłynęło w niewielkim zakresie na zmianę stopnia izotropowości. W przypadku powierzchni wiertła krętego zmiana ta jest bardzo wyraźna.

Dla powierzchni bez powłoki zaobserwowano jeszcze jedną wyraźną dominantę (rys. 4a), świadczącą o widocznym ukierunkowaniu struktury. Po naniesieniu powłoki dominanta ta zanika i powierzchnia zaczyna charakteryzować się brakiem wyraźnego ukierunkowania struktury.

Nanoszenie powłoki jest ostatnią operacją technologiczną i uzyskana w ten sposób powierzchnia stanowi końcowy etap transformacji technologicznej warstwy wierzchniej. Stan tej warstwy jest stanem początkowym w stosunku do jej zmian na etapie eksploatacji – i od niego w głównej mierze zależy przebieg tych zmian, przede wszystkim zużywanie warstwy i jego intensywność.

Ponieważ stan struktury powierzchni przed nałożeniem powłoki wpływa na cechy stereometryczne tej powłoki, należałoby przeprowadzić szczegółowe badania doświadczalne. Znajomość zmian w strukturze geometrycznej powierzchni spowodowanych naniesieniem powłoki, w tym stopnia ukierunkowania, jest niezbędna do opracowania optymalnego procesu technologicznego przy kryteriach tribologicznych.

_________________________________________________________________________________________________

* Dr hab. inż. Maciej Matuszewski, prof. UTP, jest pracownikiem Instytutu Automatyzacji i Transportu na Uniwersytecie Technologiczno-Przyrodniczym w Bydgoszczy