tit300Autori v článku popisujú niektoré možnosti povlakovania vnútorných povrchov rúr vákuovými technológiami. V úvode krátko tieto technológie klasifikujú a potom konkrétne popisujú vo svete patentované a používané PVD a CVD metódy. V jednotlivých prípadoch sú uvádzané materiály, druhy, výhody a nevýhody získaných tenkých vrstiev a základné parametre ich deponovania.


Povlakovanie vnútorného povrchu rúry je zložité v porovnaní s vonkajšou plochou. To platí predovšetkým pre vákuové technológie. Čím je vnútorný priemer menší, tým je proces povlakovania obtiažnejší. Napriek tomu vákuové technológie povlakovania sú vyvíjané aj na tento účel.
Treba podotknúť, že sú vyvíjané aj ako alternatíva Cr galvanických povlakov. Ako je známe, vákuové technológie vytvárania tenkých vrstiev (TV) z pár delíme na fyzikálne (PVD – physical vapor deposition) a chemické (CVD – chemical vapor deposition).
Špecifickú skupinu tvorí iónová implantácia, ktorú nazývajú aj modifikovanie povrchu. PVD technológie delíme na naparovanie a naprašovanie. CVD technológie delíme podľa použitého tlaku, teplota a plazmy [1].

* * * * *
Predstavenie niektorých možnosti povlakovania vnútornej plochy valca vákuovými technológiami PVD a CVD, používanými doma a vo svete.
* * * * *

Deponovanie povlakov metódami PVD
Na modifikovanie vnútorného povrchu rúry (iónovou implantáciou – nasýtenie povrchu konkrétnym chemickým prvkom, napríklad N2 – iónová nitridácie) bola použitá nízkotlaká nízkoteplotná plazma a pomocná elektróda na jej rovnomerné rozloženie v priestore povlakovanej rúry pomocou vzniknutého magnetického poľa [2-5]. Najčastejšie sú do povrchu implantované ióny N2. Tak vznikajú nitridy záklaného kovu rúry.
Vytváraniu TV naprašovaním sa venovali autori [6-13]. Všetci použili na deponovanie triódový system naprašovania, kde target (odprašovaný materiál) bol umiestnený do osi rúry (obr. 1) ako drôt [9]. Na odprašovanie boli použité rôzne inertné plyny ako Ar, Kr, Xe. Boli hodnotené hrúbka TV. Pohybovala sa od 5 μm do 20 μm [9].

obr1
Obr. 1: Metóda triódového naprašovania, magnetickým poľom usmernená plazma (vľavo), umiestnenie vzoriek v hlavni (vpravo) [9].

 

Metóda iónového plátovania použitím elektrickéko oblúka ARC (tiež nazývaná naparovanie pomocou elektrického oblúka, ARC PVD) je často používaná na deponovanie tvrdých povlakov na povrch súčiastok za účelom zvýšenia ich tvrdosti, odolnosti voči opotrebovaniu a tým aj ku predĺženiu prevádzkovej životnosti súčiastky, zariadenia.
Tieto metódy sú charakterizované vysokým stupňom ionizácie (60 – 90 %) a vysokou hustotou plazmy (1 010 ~ 1 012 / cm-3) [14]. Tieto dve vlastnosti je možné jednoducho využiť pri povlakovaní vonkajších povrchov súčiastok.
Pri povlakovaní vnútorných povrchov rúr je to problém, pretože vo vnútri rúry je konštantný elektrický potenciál a vlastné teleso, rúra, bráni využitiu plazmy lebo tieni jej prieniku do vnútorného priestoru rúry. V dôsledku uvedeného tienenia je hustota plazmy v rúre výrazne nižšia a táto klesá s hĺbkou (vzdialenosťou od čela) povlakovanej rúry.
Ukázalo sa, že magnetické pole môže byť použité na usmernenie plazmového toku tak, aby bola vytvorená konvergenčná zóna, čo je prínosom pre proces povlakovania vnútorného povrchu rúry [15, 16]. Najmä magnetické pole bolo úspešne použité ako filter na redukovanie počtu makročastíc (makrokvapiek – klastrov), ktoré sa často tvoria a zabudovávajú sa do povlaku počas procesu vákuového tlejivého výboja (povlakovania).
Yanhui Zhao a kolektív [1] použili magnetickým poľom zosilnené iónové plátovanie TiN povlaku na oceľovú rúru. Na odparenie Ti použili elektrický oblúk (obr. 2). Priemer rúry bol 36 mm a dĺžka 108 mm, 216 mm a 288 mm. Hrúbka a tvrdosť TiN povlaku v závislosti od meraného miesta a priemeru rúry je na obr. 3.

obr2
Obr. 2: Zariadenie na deponovanie TiN povlaku na vnútorný povrch rúry iónovým plátovaním pomocou elektrického oblúka [16].
obr3
Obr. 3: Hrúbka a tvrdosť TiN povlaku v závislosti od meraného miesta v rúre [16].

 

Deponovanie povlakov metódami PE CVD
K. Baba a kolektív [17, 18] po modifikovaní vnútorného povrchu nerezovej rúry priemeru 35; 9; 7; 5 a 4 mm a dĺžky 1 000 mm iónovou implantáciou a náslenne deponovali DLC povlak metódou PACVD (obr. 4). Ako prekurzor boli použité plyny N2 a C2H2. Autori hodnotili mechanické a tribologické vlastnosti deponovaného povlaku. Merali ich na štyroch miestach steny rúry: na začiatku, 350 mm od začiatku, 650 mm od začiatku a na konci rúry. Boli namerané nasledujúce hodnoty: hrúbka povlaku od 0,58 μm do 0,9 μm a koeficient trenia 0,2.

obr4
Obr. 4: Modifikovanie vnútorného povrchu rúry pomocou plazmy [18].


Deponovaniu TV je venovaný výskum v oblasti vákuových technológií, o tom svedčí množstvo udelených patentov vo svete a na Slovensku [14, 19, 20].

Záver
Možno konštatovať, že tenké vrstvy deponované vákuovými technológiami na oceľový povrch rúry majú dostatočnú tvrdosť, hrúbku a ďalšie hodnotené vlastnosti. Sú za určitých podmienok dostatočnou náhradou galvanických Cr povlakov.

TEXT/FOTO: Jozef Trebuňa, Daniel Kottfer, Katedra strojárskych technológií a materiálov, Strojnícka fakulta, Technická Univerzita v Košiciach, Piotr Kurylo, Zakład Automatyzacji Procesów Produkcyjnych, Instytut Budowy i Eksploatacji Maszyn, Wydział Mechaniczny, Uniwersytet Zielonogórski, Zielona Góra

Literatúra
[ 1 ] B. Bhushan, B.K. Gupta, Handbook of tribolohy, McGraw-Hill Inc. ISBN 0-07-005249-2 (1991) p. 1069
[2] X.C. Zeng, T.K. Kwok, A.G. Liu, P.K. Chu, B.Y. Tang, T.E. Sheridan, IEEE Transaction and Plasma Science, 26 2 (1998) p. 175-180
[3] E.J.D.M. Pillaca, M. Ueda, S.F.M. Mariano, R.M. Oliveira, Surface and Coating Technology, 249 (2014) p. 104-108
[4] C.S. Liu, J.Q. Wang, S.Y. Feng, J.J. Gu, B. Wang, Y. Yang, X.C. Zhang, Surface and Coating Technology, 229 (2013) p. 2000-2014
[5] Z.J. Wang, X.B. Tian, C.Z. Gong, J.W. Shi, S.Q. Yang, Ricky K.Y. Fu, Paul K. Chu, Surface and Coating Technology, 206 (2012) p. 5042-5045
[7] D.W. Matson, E.D. McClanahan, J.P. Rice, S.L. Lee, D. Windover, Surface and Coating Technology 133-134 (2000) p. 411-416
[8] S.L. Lee, D. Windover, Surface and Coating Technology 108-109 (1998) p. 65-72
[9] J.A. Sheward, Surface and Coating Technology 54/55 (1992) p. 297-302
[10] S. Sugimoto, Y. Uchikawa, K. Kuwahara, H. Fujiyama, H. Kuwahara, Japanese Journal of Applied Physics 38 (1999) p. 4342-4345
[11] H. Fujiyama, Y. Tokitu, Y. Uchikawa, K. Kuwahara, K. Miyake, K. Kuwahara, K. Miyake, K. Kuwahara, A. Doi, Surface and Coating Technology 98 (1998) p. 1467-1442
[12] F. Zeng, R. Liang, X.W. Li, S.P. Wen, Y. Gao, Y.L. Gu, F. Pan, Applied Surface Science 253 (2007) p. 7563-7568
[13] A. Anders, S. Anders, B. Juettner, W. Boetticher, H. Lueck, G. Gchroeder, IEEE Transaction and Plasma Science 20 (1992) p. 466-472
[14] P.E. Sathrum, B.F. Coll, EU Patent: 92610029.8, 1992-04-21
[15] P. Sathrum, B.F. Coll: Surface and Coating Technology 50 2 (1992) 103-109
[16] Y. Zhao, Ch. Guo, W. Yang, Y. Chen, B. Yu, Vacuum 112 (2015) 46-54
[17] K. Baba, R. Hatada, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 148 (1999) p. 69-73
[18] K. Baba, R. Hatada, S. Flege, W. Ensinger, IEEE Transaction and Plasma Science 39 (2011) p. 3140-3143
[19] M. Ferdinandy, J. Dusza, F. Lofaj, D. Kottfer, L. Hegedűsová, patent č. 288155
[20] D. Kottfer, M. Ferdinandy, J. Dusza, F. Lofaj, patent č. 288254.

Príspevok odznel na Medzinárodnej vedeckej konferencii Povrchové inžinierstvo v septembri 2018, organizovanej Technickou univerzitou Košice.