Povrchové úpravy představují široké spektrum technologických procesů, které dovolují vytvářet povrchové vrstvy nebo povlaky s požadovanými funkčními vlastnostmi na povrchu kovových materiálů, které nesplňují podmínky jejich provozního nasazení. Rozhodujícími degradačními procesy jsou obvykle koroze a opotřebení. Opotřebení podle dominantního mechanizmu opotřebení lze rozdělit na adhezívní, abrazívní, erozívní, kavitační, vibrační a únavové. V reálných podmínkách se však musí počítat s kombinovaným účinkem těchto procesů.

Opotřebení funkčních povrchů rozhodujících součástí nebo konstrukčních uzlů strojů a strojních zařízení má ve většině případů rozhodující vliv na životnost a spolehlivost strojů a strojních zařízení. Průzkumy provozních poruch ukazují, že v 80 případů primární příčinou vyřazení strojů a strojních zařízení z provozu je opotřebení důležitých součástí nebo konstrukčních uzlů.

Požadavky na zvýšení výkonových charakteristik strojů, strojních zařízení i nástrojů spolu se zvýšením jejich životnosti, spolehlivosti a ekonomické efektivnosti při použití standardních kovových materiálů naráží na meze. Další možnosti poskytují pouze kompozitní materiály, které kombinují charakteristické vlastnosti kovových materiálů (houževnatost, plasticitu, tepelnou a elektrickou vodivost) a keramických materiálů (pevnost, tvrdost, tepelná stabilita) nebo polymerních materiálů (houževnatost, dobré tribologické charakteristiky, odolnost proti chemickým vlivům a pod.). Jedním z používaných kompozitních systémů jsou tenké otěruvzdorné povlaky nebo povrchové vrstvy na funkčním povrchu kovových součástí. Při povrchových úpravách vznikají kompozity, které kombinují objemové vlastnosti základního materiálu (pevnost, houževnatost) se specifickými vlastnostmi povrchové vrstvy nebo povlaku (odolnost proti opotřebení, odolnost proti chemickým, fyzikálním a tepelným účinkům prostředí apod.). 

Povrchové úpravy, které zlepšují tribologické charakteristiky kovových materiálů (koeficient tření a odolnosti proti různým druhům opotřebení) lze principielně rozdělit do 2 základních skupin:

 

a) Povrchové vrstvy a povlaky s vysokou tvrdostí

U tvrdých povrchů se výrazně sníží rozsah plastické mikrodeformace ve styku jednotlivých nerovností i hloubka vniknutí hrotů a řezných hran abrazívních částic. Sníží se koeficient tření tam, kde k interakci povrchů dochází při tření bez maziva (zmenší se rýhovací i adhezívní složky tření). Zmenší se tepelné i mechanické namáhání v oblasti kontaktu (projeví se zmenšením intenzity degradačních procesů). 

 

b) Měkké a houževnaté povrchové vrstvy a povlaky

U těchto povrchových úprav jsou smyková deformace i porušování lokalizovány do tenké vrstvy s vysokou plasticitou. Vyšší pevnost materiálu pod povrchovou vrstvou modifikuje pole napětí a deformací a brání rozvoji plastické mikrodeformace a tím i porušování materiálu do větší hloubky (realizuje se základní požadavek Kragelského molekulárně-mechanické teorie tření a opotřebení). Tyto povrchové úpravy se uplatňují především u strojních součástí v podmínkách adhezívního opotřebení.

Povrchové úpravy lze rozdělit na 3 základní skupiny - povrchové vrstvy, povlaky a duplexní povlaky. Při vytváření povrchových vrstev se modifikuje chemické složení, struktura nebo substruktura na povrchu a v podpovrchových vrstvách základního materiálu. Povlaky se nanáší na původní povrch materiálu a obvykle mají odlišné chemické složení i strukturu než základní materiál. Duplexní povlaky kombinují modifikaci povrchových vrstev s nanesením povlaku. Lze tím zabránit náhlé změně fyzikálně-mechanických i chemických vlastností směrem od povrchu do jádra.  

Technologické procesy vytváření otěruvzdorných povrchových vrstev

Povrchové vrstvy lze vytvářet mechanickými, fyzikálními, chemicko-tepelnými a elektrochemickými procesy. Při mechanických procesech se zlepšuje drsnost povrchu a pevnostní charakteristiky povrchových vrstev pomocí plastické deformace za studena (kuličkování, válečkování, otryskání, kalibrování, detonační zpevňování) nebo speciální technologií opracování (leštění, tření, vtírání částic, hlazení). Zlepšená topografie povrchu a zpevnění povrchových vrstev ovlivňuje především fázi záběhu kluzného uzlu. Iontová implantace využívá pro modifikaci tenkých povrchových vrstev dopad iontů s vysokou energií. Proces se odehrává ve vakuu 10-4 Pa, zdroj vysílá svazek elektricky zrychlených iontů zvolených prvků, které pronikají do podpovrchových vrstev do hloubky 0,15 – 0,3 μm, kde generují řadu okamžitých nebo zpožděných dějů. Dopadající ionty s energií 50-200 keV ovlivňují strukturu a substrukturu tenkých povrchových vrstev a zároveň odprašují částice materiálu z povrchu implantovaného materiálu. Dávky iontů dopadající na kovový povrch jsou v rozmezí 1016 - 1018  iontů.cm-2. Dovolují vytvářet unikátní struktury, které nelze získat konvenčními metodami. K výhodám iontové implantace patří, že proces je bezdeformační, univerzálně použitelný, nemění rozměry a zlepšuje původní topografii povrchu. Nevýhodami jsou vysoká investiční náročnost, potřeba vysokého vakua, vysoké nároky na kvalitu povrchu a značně složitý systém manipulace s nástrojem či součástí s tvarově složitými plochami. 

 

Povrchovým kalením plamenem, indukcí, elektronovým svazkem nebo laserem dochází k transformačnímu zpevnění povrchových vrstev ocelí (austenitizace s následným kalením na martenzit), přičemž v jádře materiálu nedochází k strukturním změnám. Povrchové kalení plamenem nebo indukcí jsou standardní technologie používané v průmyslu. Relativně nové jsou technologie povrchového kalení laserem nebo elektronovým paprskem. Při laserovém transformačním zpevnění, které využívá pro ohřev povrchových vrstev kontinuálně nebo pulzně působící energii laserového svazku, mohou nastat dva případy. V prvém případě je teplota povrchových vrstev vyšší než austenitizační teplota, ale nižší než teplota tavení, a pak jde o kalení z pevné fáze. V druhém případě dojde k natavení povrchu, proto jde o kalení z kapalné fáze. Při natavení povrchu se výrazně změní jeho topografie. Je tedy nezbytné jeho mechanické opracování. Laserové transformační zpevnění má proti povrchovému kalení plamenem nebo indukcí některé přednosti - nízká spotřeba energie (lokální ohřev jen tenké povrchové vrstvy), malá deformace povrchu, možnost povrchově kalit malé a tenké součásti, povrchové kalení vnitřních povrchů – jde o rychlý proces, bez negativních vlivů na prostředí. Mezi nevýhody patří vysoké pořizovací a provozní náklady, vysoké nároky na obsluhu a nezbytnost dodržovat přísná bezpečnostní opatření. Povrchové kalení elektronovým paprskem má obdobné přednosti i nevýhody jako laserové transformační zpevnění. K tomu je nutné vzít v úvahu, že proces musí probíhat ve vakuové komoře. 

Povrchové vrstvy součástí lze též modifikovat chemickotepelnými procesy - sycením povrchu C (cementace), N (nitridace), B (bórování) a dalšími prvky (Al, V, Nb, Cr, Ti), S (difuzní sírování), případně S + N (sulfonitridace), Cr (difuzní chromování), V (vanadování) nebo kombinací C + N (karbonitridace, nitrocementace) apod. Chemicko-tepelné zpracování patří k tradičním technologickým procesům ve strojírenství pro docílení povrchových vrstev s příznivými tribologickými vlastnostmi. Vývoj technologií CHTZ směřuje k pochodům v plynech, zejména za sníženého tlaku. Intenzita procesů sycení povrchu se zvyšuje při průchodu proudu, kdy část plynů je ve formě plazmy (plazmová nitridace nebo plazmová cementace). Plazmové procesy lze lépe řídit v různých fázích difuzního sycení a tím zajistit standardní kvalitu a reprodukovatelnost strukturních charakteristik povrchových vrstev. Stále menší oblast aplikací mají vysokoteplotní procesy, které jsou časově i energeticky náročné a vyžadují následné tepelné zpracování.

Elektrochemickým procesem je anodizace, která vytváří na povrchu Al a jeho slitin vrstvu tvrdého a porézního oxidu Al2O3 , který lze sytit kapalinným mazivem. To umožňuje alespoň částečně eliminovat velmi špatné tribologické charakteristiky hliníku a většiny jeho slitin. Základní charakteristiky některých technologických postupů pro vytváření povrchových vrstev jsou v tab.1.

Technologické procesy přípravy otěruvzdorných povlaků

Otěruvzdorné povlaky lze vytvářet tepelně-mechanickými procesy jako jsou plátování (naválcování, detonační plátování), termickými nástřiky, odléváním (gravitační, odstředivé), tepelně-fyzikálními procesy (navařování, přitavení, přislinování, procesy PVD), elektrochemickými procesy (katodové, elektroforetické) a tepelně-chemickými procesy (chemické niklování, metody CVD).

Tepelně-mechanické procesy se používají pro vytváření povlaků se zvýšenou odolností jen vyjímečně, hlavní oblastí jejich aplikace je příprava povlaků z korozivzdorných ocelí na konstrukčních ocelích. Pouze detonační povlakování se ukazuje jako zajímavý technologický postup pro vytváření nekonvenčních povlaků v kusové a maloseriové výrobě.

Termické nástřiky vytváří na povrchu povlakované součásti z natavených nebo částečně natavených částic  o velikosti 0,05 - 100 m široké spektrum kovových, keramických i kompozitních povlaků, z nichž některé mají velmi dobré tribologické vlastnosti. Jejich vlastnosti závisí na složení povlaku a technologii nástřiku, a na přípravě povrchů před aplikací (odmaštění a otryskání). Při termických nástřicích je malé nebezpečí vzniku deformací a trhlin. Nedochází k tepelnému ovlivnění základního materiálu. Výhodou je možnost vytváření povlaků s proměnným chemickým i strukturním složením. K nedostatkům patří porovitost, poměrně nízká pevnost rozhraní nástřik - podklad a nízké využití materiálu nástřiku. 

Gravitačním i odstředivým odléváním lze vytvářet povlaky o velké tloušťce. Tyto technologické postupy lze efektivně použít pouze v omezeném počtu případů (např. kluzná ložiska). 

Navařování plamenem, elektrickým obloukem nebo plazmou: Navařováním se vytvoří pevný metalurgický spoj mezi návarem a podkladem. Přídavné materiály ve formě obalených elektrod, trubičkových elektrod, drátů, tyčinek, prášků, navařovacích past představují široký sortiment kovových a kompozitních materiálů s rozmanitými vlastnostmi. Volba přídavného materiálu a technologie navařování závisí na tvaru a rozměrech součásti, na chemickém složení základního materiálu, na způsobu namáhání, na druhu opotřebení a na celkových nákladech. Jejich tribologické vlastnosti závisí na chemickém složení přídavného materiálu i na technologii navařování. Při navařování prvé vrstvy návaru dochází k promíšení přídavného materiálu s materiálem podkladu. Proto požadované vlastnosti se docílí při použití vícevrstvých návarů. Výhodou je široké spektrum vyráběných přídavných materiálů a navařovacích technologií. K nevýhodám patří deformace navařovaných součástí vlivem teplotních pnutí, velmi hrubý povrch návaru (nutnost opracování) a nebezpečí vzniku trhlin, které mohou iniciovat lom dynamicky zatěžované součásti.

Elektrochemické povlaky vznikají při průchodu proudu na povrchu součástí a nástrojů ponořených do vodných roztoků solí kovů (elektrolytů). Elektrolyty obsahují kromě solí i další přísady zlepšující některé parametry povlaku - adhezi, jemnozrnnost apod. Elektrochemickými pochody lze vytvořit povlaky, které nelze připravit běžnými metalurgickými postupy. Jejich struktura se výrazně liší. V technické praxi se nejvíce používá povlak tvrdého chromu, případně kompozitní povlaky na bázi niklu s tvrdými částicemi (KBN, diamant) nebo kompozitní povlaky s částicemi teflonu, grafitu, MoS2 a pod.

Procesy CVD (Chemical Vapour Deposition) spočívají v heterogenní chemické reakci plynných složek reakční směsi za různého tlaku a při dodávání tepelné nebo světelné energie, přičemž se na povrch podkladového materiálu ukládají pevné látky ve formě povlaku a vznikají vedlejší plynné látky. Teploty procesů CVD jsou vysoké ( 800 °C) a při povlakování ocelí dochází k výraznému snížení jejich fyzikálně mechanických vlastností. Proto se oceli musí po ukončení povlakovacího procesu tepelně zpracovat ve vakuu. CVD povlaky se používají především u nástrojů ze slinutých karbidů. Pro dobrou funkci musí být materiál podkladu pouze elasticky deformován a musí dobře odvádět tepelnou energii vznikající při tření. Od jednovrstvových povlaků se přechází na vícevrstvé, které mají mezivrstvy z různých chemických sloučenin a mohou vyrovnávat rozdíl v koeficientech tepelné roztažnosti povlaku a základního materiálu.

Mezi tepelně-fyzikální procesy patří též PVD (Physical Vapour Deposition), které lze rozdělit do 3 skupin - napařování, naprašování a iontové povlakování.  Při napařování se materiál povlaku odpařuje ve vakuu a jeho částice se usazují na podklad. Povlaky karbidů, nitridů a oxidů vznikají reakcí par kovu s reaktivním plynem. Velmi malou rychlost vytváření povlaků lze výrazně urychlit účinkem elektrostatického pole.

Při magnetronovém naprašování na povrch vodou chlazených terčů, které tvoří katody, dopadají ionty argonu a uvolňují z jejich povrchu částice materiálu. Tyto částice působením elektromagnetického pole se nanáší na povrch povlakované součásti. Za přítomnosti reaktivního plynu se na povrchu podkladu tvoří povlak sloučeniny. Na rozdíl od napařování zůstává teplota povlakované součásti nízká ( 200 °C).

Iontové povlakování využívá pro zvýšení adheze povlaku k podkladu částečnou ionizaci par kovu, která se docílí v pracovním prostoru za sníženého tlaku průchodem elektrického proudu mezi odpařovačem a povlakovaným nástrojem nebo součástí. Iontové povlakování lze modifikovat použitím vysokofrekvenčního napětí, což umožňuje povlakovat i nevodivé materiály. Výhodou iontového povlakování je možnost odstranění adsorbovaných vrstev z povrchu před vlastním povlakováním, což se projeví pozitivně zlepšením adheze povlaku k podkladu.  

Povlaky připravované metodami PVD lze vytvářet jako jednosložkové nebo vícesložkové. Vícesložkové mohou mít charakter: směsi sloučenin (ternárních, kvaternárních), gradientních povlaků (proměnné chemické složení nebo stav), mnohovrstvých povlaků (tzv. „supermřížka“ - tlouštka vrstev 1 - 10 nm), heterogenních povlaků. Ternární sloučeniny jako karbonitridy, oxinitridy a boronitridy různých přechodných kovů jsou navzájem dobře mísitelné, mají zlepšené vlastnosti v porovnání s povlaky na bázi jedné sloučeniny. 

 

Duplexní povlaky

Mezi moderní varianty duplexních procesů patří iontové směšování (ion-beam mixing) a procesy IBAD (ion-beam assisted deposition). Tyto procesy kombinují procesy PVD s iontovou implantací. V případě iontového směšování probíhají procesy povlakování a iontové implantace postupně, kdežto u IBAD probíhají současně. Duplexní povlaky mohou mít konstantní nebo proměnné chemické složení. Vlivem dopadu iontů dochází k zvětšení hustoty povlaku, ke zmenšení pórů a potlačení sloupcovité struktury v porovnání s původními PVD povlaky. Na rozhraní mezi rostoucím povlakem a základním materiálem se v důsledku atomárního míšení vytváří přechodová oblast tlustá několik desítek nanometrů, což se projeví výrazným zvýšením adheze. Dopadem iontů se může měnit struktura a napětí v povlaku z tahového na tlakové.

Přednostmi metody IBAD v porovnání s metodami PVD je možnost vytvářet povlaky různých tlouštěk a různých typů, dobrá adheze k podkladu, nízká teplota pochodu ( 400 °C) a schopnost vytvářet vícevrstvé povlaky z různých sloučenin. Mezi nevýhody lze zařadit pomalý růst povlaku a vysokou pořizovací cenu zařízení.

Jinou variantou duplexních povlaků je kombinace chemicko-tepelného zpracování, např. plazmové nitridace, a povlaku TiN vytvořeného metodou PVD. Tento duplexní povlak může eliminovat některé problémy s pevností rozhraní povlak-podklad a s nedostatečnou pevností materiálu podkladu. 

Prof. Ing. Jan Suchánek, CSc., Ing. Zuzana Tatíčková, ČVUT-FS, Ústav strojírenské technologie