Soudobé strojírenství klade stále vyąąí nároky na materiály pouľívané k
výrobě strojních součástí:
Takové poľadavky, do jisté míry protichůdné, mohou obvyklé materiály splňovat jen
výjimečně, navíc při značných nárocích na cenu materiálu a při vysoké ceně za
jeho zpracování.
V mnoha případech nabízí přijatelné řeąení vhodná úprava povrchu materiálu. V
poslední době se stále častěji uplatňují aplikace fyziky plazmatu ve
strojírenských technologiích a to cestou modifikace povrchů součástí dopadem
ionizovaných částic nebo vytvářením povrchových povlaků se speciálními
vlastnostmi. Takové technologie se označují jako plazmově podporované metody.
Příklad
Jako příklad uvedeme lopatky leteckých turbinových motorů :
Poľadavek co nejvyąąí účinnosti motorů a tím sníľení spotřeby paliva a
sníľení neľádoucích exhalací vyús»uje v poľadavek co nejvyąąí pracovní
teploty a co nejvyąąích otáček motorů. Pracovní teploty lopatek jsou okolo 900 oC
a jejich zvýąení o několik málo desítek stupňů přináąí podstatné zvýąení
účinnosti motoru. Zvyąování teploty i otáček je předevąím omezováno vlastnostmi
lopatek turbin, nebo» ty jsou nejvíce namáhanými částmi motorů. Lopatky jsou
vyráběny z niklových slitin, které sice zaručují dostatečnou pevnost a
houľevnatost, ale nevykazují dostatečnou odolnost proti korozi při zvýąených
pracovních teplotách. Řeąení rozporu mezi poľadavky vyhovujících pevnostních
vlastností lopatky a odolnosti povrchu lopatky proti oxidaci spočívá v tom, ľe na
lopatky zhotovené z původní a osvědčené niklové slitiny je nanáąen keramický
povlak o tlouątce 30-50 mikronů. Díky nízké tepelné vodivosti keramiky i na tak
malé tlouątce povlaku vzniká pokles teploty aľ o sto kelvinů a povlak navíc povrch
lopatky chrání před přímým kontaktem s chemicky agresivními spalinami. Podobných
příkladů lze uvést mnoho i z jiných oblastí techniky : protiklady v poľadavcích na
zvyąování tvrdosti a otěruvzdornosti pracovních ploch obráběcích nebo tvářecích
nástrojů při zachování jejich objemové pevnosti a houľevnatosti nebo v
poľadavcích na otěruvzdornost a tvrdost povrchu optických prvků (čoček, filtrů) v
případech, kdy jsou tyto prvky vyráběny ekonomicky nenáročnými technologiemi z
relativně měkých plastů.
Technologie, které pro výrobu
povlaků nebo modifikování povrchů pouľíváme, jsou zaloľeny na vyuľití
vlastností nízkoteplotního plazmatu. Základní schema výrobního
procesu je na obr.1. Látku, která má být vpravena do povrchové vrstvy součástí
nebo nanesena na součásti ve formě povlaku, je třeba převést do plynné fáze. Atomy
nebo molekuly látky jsou v plynné fázi částečně ionizovány a
dostávají se do styku s plazmatem vznikajícím ve výboji v pracovním plynu. Tento výboj je hlavním zdrojem energie pro
technologický proces. Tok částic látky můľe být usměrňován účinkem
elektrického pole nebo kombinací elektrického a magnetického pole na povrch
součástí kde se částice usazují a poté buď difundují do povrchové vrstvy
součásti nebo vytvářejí povlak. Součásti mohou mít vůči plazmatu předpětí,
tj. mohou být připojeny na zdroj napětí, který v jejich okolí vytváří daląí
elektrické pole jeątě více urychlující částice dopadající na povrch.
Nebudeme se dále zabývat metodami modifikujícími povrchové vrstvy materiálu jako
jsou iontová implantace nebo plazmová nitridace, ale
soustředíme se na vytváření povlaků. Způsoby nanáąení povlaků rozliąujeme
předevąím podle metody pouľívané pro uvedení materiálu do plynné fáze :
Chemická depozice z plynné fáze (CVD = chemical vapour deposition) : materiál pro
povlaky (titan, hliník, uhlík) je do pracovní komory přiváděn jiľ v plynné fázi -
TiCl4, AlCl3, CH4. V komoře se kombinovaným účinkem
výboje a vysoké teploty součástí tyto plyny rozkládají, reagují s pracovními
plyny a vzniklé sloučeniny (TiN, TiC, TiCN, Al2O3) kondenzují na
povrchu součástí.
Nevýhoda : vysoká teplota potřebná pro rozklad sloučenin (moľnost nevratných
změn vlastností materiálů), vznik ekologicky závadných vedlejąích produktů,
omezený rozsah prvků, které mají sloučeniny v plynném skupenství.
Moderní varianta : pouľívá se vysokofrekvenční buzení výboje, do plynu se zavádí
elektromagnetické záření s frekvencemi řádově stejnými, jako jsou uľívány v
mikrovlnných troubách.
Vytváření povlaků přechází z pevné do plynné fáze fyzikálními pochody : vypařováním nebo napraąováním . Oba tyto
pochody se provádějí za sníľeného tlaku, obvykle při tlaku niľąím neľ je 0,1 Pa
(tj. řádově milionkrát niľąím neľ je atmosférický tlak). Součásti, na které
mají být nanáąeny povlaky, se umis»ují do blízkosti vypařovacího nebo
napraąovacího zařízení tak, aby atomy nebo molekuly vypařené látky se usazovaly na
jejich povrchu.
Vypařování
Vypařování vyuľívá
skutečnosti, ľe bod varu látek klesá s tlakem neboli ľe tlak
nasycených par látky roste s teplotou. Pro získání par pevných látek jsou proto
za niľąích tlaků třeba podstatně niľąí teploty neľ za atmosférického tlaku.
Základní způsoby ohřevu materiálu nad bod varu jsou znázorněny na obr. 2 .
Historicky nejstarąí (počátek století) je tento způsob : Materiál je umístěn v
kovovém kelímku, kterým prochází silný elektrický proud.
Kelímek (správně se nazývá vypařovací lodička) se průchodem proudu ohřívá,
předává teplo napařovanému materiálu a ten se po překročení bodu varu vypařuje. 
Je zřejmé, ľe pro tento způsob vypařování musí mít
vypařovaný materiál niľąí teplotu varu, neľ je teplota tání materiálu
vypařovací lodičky ( wolfram 3380 oC, molybden 2610 oC, tantal
2997 oC) a dále nesmí vypařovaná látka s materiálem lodičky tvořit
slitinu. Nejnovějąí vývoj v této oblasti přinesl výrobu vypařovacích lodiček z
nitridu boru (teplota tání asi 1400 oC), který je vodivý a netvoří
slitiny ani nereaguje s obvykle napařovanými materiály. Materiály s vysokým bodem
varu se s výhodou vypařují pomocí ohřevu elektronovým svazkem. Vypařovaný
materiál je umístěn ve vodou chlazeném měděném kelímku a je ohříván dopadem
svazku elektronů vysílaném elektronovou tryskou. Nejrychlejąí způsob ohřevu je
ohřev nízkonapě»ovým obloukem. Mezi stěnou pracovní komory (anodou) a vypařovanou
elektrodou (katodou) hoří oblouk, který je na katodě soustředěn do malé
pohybující se plochy (katodová skvrna), viz obr.3.
Napraąování
Napraąování je zaloľeno na
sekundární emisi iontů. Ionty pracovního plynu jsou urychlovány elektrickým polem a
dopadají na povrch napraąovaného materiálu ve formě plochého nebo válcového terče
(targetu), viz. obr 4. jejich účinkem jsou z povrchu vytrhávány atomy terče, které
se často průchodem oblasti ionizovaného pracovního plynu samy ionizují a dopadají na
povrch povlakovaných součástí. Rozsah napraąovaných pevných látek je veliký,
vyloučeny jsou jen látky s nízkou tenzí nasycených par za pokojové teploty. Je
třeba vąak rozliąovat látky elektricky vodivé a elektricky nevodivé. V druhém
případě musí být zabráněno nabíjení terče pouľitím střídavého elektrického
pole.
Fyzikální metody depozice
povlaků dále rozliąujeme podle pracovního plynu : jde-li o plyn, který chemicky
nereaguje s látkou povlaku (obvykle se pouľívá argon), jde o nereaktivní depozici
povlaku. Větąí význam vąak má depozice při pouľití směsi plynu inertního a
plynu s materiálem povlaku reagujícím. Povlak je tedy tvořen sloučeninou a to často
s takovými vlastnostmi, ľe ji nelze jinou cestou vytvořit. Depozici v tomto případě
označujeme jako reaktivní. Jako příklad lze uvést povlak nitridu titanu (TiN), který
je deponován vypařováním nebo napraąováním titanu ve směsi argonu a dusíku. Jako
příklad aplikace této metody ve výrobě můľeme uvést metalizaci CD disků obr 5.
Tato skutečnost souvisí s tím, ľe při chemickém i fyzikálním způsobu nanáąení
povlaku můľeme ovlivňovat energii iontů dopadajících na povrch povlakované
součásti a tím významně ovlivňovat i vlastnosti povlaků :
Jestliľe toky energie nesené částicemi do místa vytváření povlaku jsou
dostatečně nízké a celý proces je proto pomalý, vytvářejí se povlaky za stavu,
který se velmi blíľí stavu termodynamické rovnováhy. Vlastnosti povlaku se
pak prakticky neliąí od vlastností téhoľ materiálu ve velkém objemu.
Příklad
Napařování hliníku na dostatečně teplý skleněný povrch. Atomy vypařované z
povrchu hliníku zahřátého za nízkého tlaku na teplotu varu kondenzují na povrchu,
jehoľ teplota je dostatečně vysoká, takľe atomy mají dostatek energie a času
přesunout se na povrchu do míst s minimální energií a vnitřní pnutí ve
vytvářeném povlaku mají dost času na relaxaci. Výsledek je obecně známý : kovově
lesklý povlak s velmi doboru přilnavostí k povrchu.
Výhodou plazmově podporovaných procesů růstu povlaků je vąak moľnost
realizovat tyto procesy dostatečně rychle a s vysokým přísunem energie. Výsledkem je
vytváření povlaků o struktuře a sloľení, kterých nelze v rovnováľných stavech
dosáhnout. Některé typy povlaků rostoucích za podmínek silně vzdálených od
termodynamické rovnováhy mají překvapivé vlastnosti, které umoľňují řeąit
zmíněný rozpor mezi odliąnými povrchovými a objemovými vlastnostmi.
Spektrum povlaků, ketré se touto cestou vyrábějí, je překvapivě ąiroké a ąirąí
veřejnosti je praktiky neznámé, i kdyľ jste se s nimi určitě jiľ setkali. Uveďme
několik příkladů :
Povlaky nitridu titanu vynikají
vysokou tvrdostí a vysokou odolností proti opotřebení, chemickou stálostí a
zvláątními fyzikálními vlastnostmi. Pouľívají se jako povlaky vrtáků,
soustruľnických noľů, závitníků apod., kdy často několikanásobně zvyąují
ľivotnost nástrojů a zrychlují obrábění, viz obr.6. Stejný účinek mají na
lisovacích nástrojích, prodluľují ľivotnost forem pro lisování umělých hmot a
díky parametrům povrchu zvyąují i kvalitu výlisků. TiN má zlatavou barvu a proto je
často pouľíván pro dekorativní účinky ve ąperkovnictví, jako povlak na brýlové
obroučky, hodinková pouzdra atd. Od zlatých povlaků je prakticky nerozeznatelný, ale
má mnohonásobně vyąąí odolnost proti odření. V poslení době se objevují TiN
povlaky i na chirurgických nástrojích - vedle zvýąení ľivotnosti a vyąąí
hladkosti řezu se vyuľívá i antibakteriálních účinků tohoto typu povlaku.
Povlaky diamantového typu zahrnují celou ąkálu povlaků tvořených různými
modifikacemi uhlíku. Zvyąují otěruvzdornost nástrojů a strojních součástí,
zlepąují odolnost proti korozi atd. V těchto povlacích se vyskytují struktury, které
ve větąích objemech nelze vůbec připravit.
Povlaky z tzv. superslitin, např. slitiny kobaltu či niklu , chromu, hliníku s
malým podílem některého kovu vzácných zemin (obvykle yttria) jsou uľívány jako
ochrana proti korozi za vysokých teplot. Vyuľívá se kombinovaného účinku sloľek
slitiny : např. hliník se na povrchu oxiduje a vytváří chemicky velmi odolný oxid
hlinitý (korund), yttrium na hranicích zrn blokuje difuzi kyslíku k povrchu součástí
apod. Díky účinkům plazmatu lze povlaky vytvářet ve sloľení, kterého nelze v
objemovém stavu vůbec dosáhnout.
Nízkoteplotní plazma
Plazma je stav látky charakterizovaný určitým stupněm ionizace, tj. plazma je směs
neutrálních částic a kladných a záporných iontů, přičemľ součet nábojů
těchto iontů je ve větąích objemech nulový (plazma je tedy elektricky neutrální).
K udrľení stavu, kdy se v ionizovaném stavu nalézá řádově 1% částic, jsou třeba
energie odpovídající teplotám řádově 103 K a takové plazma označujeme
jako nízkoteplotní.
Zpět
Částečná ionizace
Částice v plazmatu jsou nejčastěji ionizovány v důsledku vzájemných sráľek
neutrálních molekul mezi sebou nebo neutrálních molekul a iontů. Při setkání
kladných a záporných iontů (obvykle elektronů) dochází k jejich spojení
(rekombinaci) a vzniká neutrální molekula nebo atom. Při určité teplotě se ustálí
stav, kdy je ionizována vľdy jen část molekul. Teplotě plazmatu odpovídá i poměr
počtu iontů ku celkovému počtu částic. S výjimkou stavu za velmi vysoké teploty a
tlaku (např. v nitrech hvězd), je tento poměr menąí neľ 100 % - říkáme, ľe
plazma je částečně ionizované.
Zpět
Výboj v pracovním plynu
Plazma pro plazmově podporované metody depozice se zajią»uje pomocí ionizace ve
výboji. Mezi dvěma elektrodami ve zředěném pracovním plynu je elektrické pole, v
němľ jsou urychlovány náhodně vzniklé ionty. Tyto ionty mohou při dostatečné
energii nárazem ionizovat neutrální molekuly a v plynu se udrľuje určitý stupeň
ionizace. Pracovní plyn se tak stává vodivým, tj. probíhá v něm elektrický výboj.
Zpět
Iontová implantace
Technologický proces, kdy je úpovrch látky bombardován proudem iontů určitého
plynu, urychlených v elektrickém poli o rozdílu potenciálů 104 V a více.
Ionty pronikají do určité hloubky dané jejich energií a druhem materiálu,
neutralizují se a případně pronikají dále pod povrch v důsledku difuze.
Nejobvyklejąí aplikace v mikroelektrotechnice je úprava vlastností polovodičových
materiálů, ve strojírenských technologiích implantace dusíku do oceli za účelem
zvýąení tvrdosti, korozivzdornosti, součinitele tření a daląích parametrů.
Zpět
Plazmová nitridace
Technologie úpravy vlastností povrchu součástí pomocí sycení povrchových vrstev
atomy dusíku. Nitridace probíhá za vyąąí teploty, upravovaný předmět tvoří
katodu v doutnavém výboji, který hoří mezi ním a stěnou pracovní komory. Po
fyzikální stránce jde o sloľitý proces vzájemné interakce dusíkových iontů a
materiálu součástí, výsledkem je zvýąení povrchové tvrdosti, odolnosti vůči
únavovým efektům atd.
Zpět
Tlak nasycených par
Stav, kdy páry nad povrchem kapaliny nebo pevné látky jsou s touto látkou v
termodynamické rovnováze. Znamená to, ľe počet molekul, které se z povrchu kapaliny
odpaří (nebo z povrchu pevné látky sublimují) je v průměru roven počtu molekul,
které dopadají zpět na povrch látky a kondenzují tam. Hodnota tlaku nasycených par
je závislá na teplotě a na vlastnostech látky. Pro běľné látky jsou hodnoty tlaku
nasycených par v závislosti na teplotě tabelovány.
Zpět
Vyrobena na Katedře fyziky ČVUT, 1997