F YZIKÁLNÍ METODY OBRÁBĚNÍ

1. FYZIKÁLNÍ METODYOBRÁBĚNÍ Ing. Jana Kalinová 2013 Laser Povlakování CVD a PVD

2. Laser – LightAmplification by StimulatedEmissionofRadiation • Princip spočívá v přeměně světelné energie na tepelnou • Základem je vyvolání indukované emise = vynucené záření • Záření je tvořeno malými částečkami = kvanty, kdy energie každého kvanta je úměrná kmitočtu (hypotéza Maxe Plancka z roku 1900)

3. Laser – LightAmplification by StimulatedEmissionofRadiation • Energie E každého kvanta: E = h . v h ….. je Planckova konstanta 0,66.10-15 (eV.s ) v ……(řecké „ný“) je kmitočet

4. Laser – LightAmplification by StimulatedEmissionofRadiation • Albert Einstein 1916 • „Jednotlivé částečky světla se mohou vzájemně popohánět a držet spolu krok. Vzniklý paprsek bude koherentní, uspořádaný a bude soustředěn do jednoho směru.“ • KvantaA.Einstein nazval fotony.

5. Laser – LightAmplification by StimulatedEmissionofRadiation • Vznik indukované emise lze zjednodušeně vysvětlit na modelu atomu Nielse Bohra: 1. Elektrony obíhají kolem jádra atomu v určitých kvantových drahách, kdy každé dráze přísluší určitá energetická úroveň. 2. Dopadne-li na atom záření v1, přijme elektron energii E = h . v1 a přejde na vyšší kvantovou dráhu. 3. Následné dopadající záření jej donutí přijmout další energii a přejít na svoji původní dráhu. Ale – aby měl elektron energii odpovídající původní dráze, musí celkovou získanou energii vyzářit 

6. Laser – LightAmplification by StimulatedEmissionofRadiation • Směr šíření a polarizace vzniklé energetické vlny jsou stejné jako u záření, které tento přechod vyvolalo • Polarizace elektromagnetické vlny je dána změnami směru intenzity jejího elektrického pole ve zvoleném místě prostoru.

7. Laser – LightAmplification by StimulatedEmissionofRadiation • První záměrné využití světelné energie pro rozrušení materiálu vyvolal Archimédes ze Syrakus (287 – 212 př. n.l.), kdy zakřivenými zrcadly zaostřil a nasměroval sluneční záření na římské lodě, čímž je na dálku zapálil.

8. Laser – LightAmplification by StimulatedEmissionofRadiation • V r. 1960 postavil T.H. Maiman první pevnolátkový laser založený na luminiscenční emisi rubínového krystalu. • Plynový laser vznikl 1961 • Polovodičový laser 1962 • Chemický laser 1965

9. Laser – konstrukce Hlavní části laseru jsou: • Laserová hlavice • Laserové medium – určuje délku vlny záření (pevné, tekuté, plynné, páry) • Rezonátor – formuje a zesiluje záření (sférická zrcadla), • Budící zařízení – elektrickým výbojem, chemickou reakcí, expanzí plynu, opticky apod. • Zdroj energie buzení – síťový napáječ • Chladící zařízení

10. Laser – konstrukce 1 – laserová hlavice 2 – rezonátor 3 – laserové medium 4 – polopropustné zrcadlo 5 – výstupní záření 6 – zdroj energie buzení 7 – budící zařízení 8 – chladící systém 9 – nepropustné zrcadlo

11. Laser – laserová média

12. Laser – budící zařízení 1 - laserová trubice 2 – plynové laserové medium 3 – výstupní záření 4 – polopropustné zrcadlo 5 – elektroda 6 – budící zařízení 7 – nepropustné zrcadlo

13. Laser – buzení výbojkami 1 – rezonátor 2 – laserové medium = krystal 3 – budící výbojka

14. Laser – chladící zařízení • Odvádí nevyužitou energii, která se nepřemění v záření, ale teplo • Chladí se obvykle vodou • Chladící okruh má 2 větve • Vnitřní (deionizovaná voda) • Vnější (voda z vodovodní sítě)

15. Laser – druhy dle laserového média • Pevnolátkové lasery • Plynové lasery • Polovodičové lasery • Kapalinové lasery • Plazmatické lasery

16. Laser – pevnolátkový Laserové medium je krystal broušený do tvaru válce, kotouče, hranolu s opticky leštěnými čely. Krystal je z rubínu, nebo Nd:YAG ….dopovaný neodymem nebo Er:YAG…..dopovaný erbiem nebo Nd:YLF….. dopovaný neodymem YAG = yttrium, aluminium, granát YLF = yttrium, lithium, fluorid

17. Laser – pevnolátkový • Nd:YAGje nejčastěji používaný pro technologické operace • Paprsek má vlnovou délku 1,06 mikrometru • Max. výstupní výkon je 4kW • Účinnost 3 -8%

18. Laser – plynový Laserové medium je z hlediska významu nejčastěji směs plynů CO2 + N2 + He Paprsek má vlnovou délku 10,6 mikrometru Max. výstup. Výkon 25kW Účinnost 10-15% Další plynové lasery He + Ne… .směs plynů Cu……………páry mědi Ar…………...ionty argonu He + Cd ….ionty kovu

19. Laser – kapalinový Laserové medium jsou roztoky organických barviv nebo speciální kapaliny dopované ionty vzácných zemin. Buzení je realizováno Nd:YAG laserem nebo Ar laserem. Paprsek má vlnovou délku 0,3 až 1,3 mikrometru Účinnost desítky procent. Použití je zejména ve spektroskopii.

20. Laser – polovodičový • Stimulovaná emise záření vzniká v aktivním polovodičovém materiálu. • Přechod elektronů se děje mezi dovolenými energetickými pásy, nikoli hladinami • Médium jsou: • GaAs…..galium arsenid • CdS……..kadmium sulfid • CdSe…..kadmium selen

21. Laser – polovodičový • Buzení realizování fotony, svazkem elektronů nebo elektrickým polem • Rezonátor musí být vydatně chlazen • Vlnová délka je 0,3 až 30 mikrometrů • Účinnost až 50% • Výstupní výkon až 2kW • Výhodou je zejména kompaktnost, malé rozměry a účinnost !!

22. Laser - srovnání

23. Laser – použití v technologické praxi • Popisování součástí • Řezání a vyřezávání • Svařování a pájení • Tepelné zpracování • Nanášení povlaků • Vrtání, soustružení, vrtání, gravírování

24. Laser Obrobitelnost materiálu laserem závisí na: • Absorpci = schopnosti materiálu pohlcovat světelnou energii a měnit ji na tepelnou energii, lépe je větší • Tepelné vodivosti , lépe je menší • Odrazivosti = reflexi, lépe je menší

25. Laser - popisování 1 – laser 2 – optická cesta 3 – pracovní hlava 4 – vychylovací zrcátka 5 – objektiv 6 - obrobek

26. Laser – řezání a vyřezávání 1 – řezací tryska 2 – asistentní plyn 3 – paprsek laseru 4 – ohnisko zaostření paprsku 5 – odtavený materiál 6 – řezná spára 7 – obrobek

27. Laser – svařování hloubkové 1 – pracovní hlava laseru 2 – paprsek laseru 3 – asistentní plyn 4 – roztavený materiál 5 – svar 6 – obrobek 7 – parní kanál 8 - plazma

28. Laser - soustružení 1 – obrobek 2 – pracovní hlava laseru

29. Laser – frézování, gravírování

30. Povlakování • Iontová nitridace (plazmová nitridace) • CVD – ChemicalVaporDeposition • PVD – PhysicalVaporDeposition • Plazmovým nástřikem • Laserem • Elektronovým paprskem

31. Povlakování - obecně Povlaky výrazně zlepšují vlastnosti povrchu výrobku při zachování vlastností základního materiálu Účelem je zlepšit: Odolnost proti opotřebení Odolnost proti mechanickým rázům Odolnost proti tepelným šokům Odolnost proti působení kyselin a zásad Odolnost proti erozi %

32. Povlakování - obecně Odolnost proti působení vysokých teplot Zvýšení nebo snížení součinitele tření Zvýšení tlumících schopností součástí Zvýšení elektroizolačních schopností Zlepšení dlouhodobé stability struktury materiálu Snížení nebo zvýšení součinitele tepelné vodivosti Pro dekorativní účely, aj.

33. Povlakování - obecně Popsaných účinků lze dosáhnout kombinací různých povlaků. Pro otěruvzdornost např.: TiN, TiC, Al2O3, WC, BN, SiC, TiB2, Al2O3+TiO2, aj. Pro odolnost proti vysokým teplotám např.: ZrO2 + CaO, ZrO2 + MgO, Si + Cr + ZrO2, aj. Antikorozní např. Cr2O3, Cr2O3 + Al2O3, MgO, aj.

34. Iontová nitridace - princip • Děj probíhá v oblasti anomálního výboje, kdy dochází k intenzívnímu pohybu molekul plynů a v důsledku vzájemných nárazů molekul k jejich štěpení a k ionizaci. • Kladné ionty dusíku bombardují povrch součásti, část kinetické energie se mění na teplo, které ohřívá obrobek • Další část způsobí uvolňování atomů železa a dalších prvků z povrchu obrobku. • Dochází k sycení povrchu součásti dusíkem, který difunduje do povrchu a vytváří tvrdé nitridy.

35. Iontová nitridace - princip 1 – štěpení molekul 2 – ionizace 3 – odprašování 4 – elektrony 5 – přímý vstup N do oceli 6 – kondenzace 7 – stěna pracovní komory 8 – fáze epsilon 9 – fáze gama 10 – absorpce 11 – difuze 12 – nitridovaný povrch 13 – nárazová energie 14 – energie iontů 15 – tepelná energie

36. Iontová nitridace - zařízení 1 – napájecí a řídící jednotka 2 – obrobky (katoda) 3 – pracovní komora (recipient - anoda) 4 – zásobník pracovních plynů 5 – chladící systém 6 – pracovní stůl 7 – systém vakuových vývěv

37. Iontová nitridace - srovnání Tvrdost povrchu je po iontové nitridaci až o 300% vyšší, cca 69HRC.

38. CVD – ChemicalVaporDeposition • Ve dvou fázích – čištění, pak povlakování • Povlak je vytvářen chemickou reakcí vhodných plynů s materiálem obrobku při 800 – 1050°C • Rychlost nanášení je 1 – 3 mikrometry/h • Vhodné pro vícevrstvé povlaky • Zejména pro břity z SK

39. CVD – ChemicalVaporDeposition 1 – směšovací komora 2 – reaktivní komora 3 – řídící jednotka 4 – přípravek s obrobky 5 – systém vakuových vývěv 6 – zařízení pro ohřev obrobků 7 – zásobníky pracovních plynů

40. CVD – ChemicalVaporDeposition Příklad vícevrstvého povlaku

41. PVD – PhysicalVaporDeposition • Děj probíhá mezi elektrodou 1 = obrobkem a elektrodou 2 = kov tvořící jednu složku povlaku a pracovním plynem (nebo více plyny) tvořící další složky povlaku. • Materiál odpařený z elektrody (Ti) je v doutnavém výboji plynu ionizován, ionty kovu jsou urychlovány směrem k povrchu obrobku a během cesty mezi elektrodami reagují s atomy pracovního plynu (N). • Pracovní teplota je max. 550°C • Tvrdost TiN> 2000HV • Trvanlivost nástroje je 4x větší • Řezná rychlost 2x větší

42. PVD – PhysicalVaporDeposition 1 –napájecí zdroj 2 – odpařený materiál 3 – reaktivní komora 4 – elektroda odpař. mat. 5 – zásobník prac. plynů 6 –zásobník neutr. plynu 7 – systém vakuo.vývěv 8 – přípravek s obrobky 9 – řídící jednotka 10 - plazma

43. PVD – PhysicalVaporDeposition

44. PVD – PhysicalVaporDeposition Příklady povlakovaných nástrojů

45. Použité zdroje ŘASA, Jaroslav, Přemysl POKORNÝ a Vladimír GABRIEL. Strojírenská technologie 3. 1. vyd. Praha: Scientia, 2001, 221 s. ISBN 80-718-3227-8.