Części i regeneracja

Przemysł motoryzacyjny od zarania dziejów ćwiczy się w dokładności wykańczania powierzchni części. Mierzy się z najciaśniejszymi tolerancjami wymiarów. Coraz szersze zastosowanie znajdują powłoki diamentopodobne, dzięki stosowaniu których narażona na degradację aparatura wtryskowa zostaje uszlachetniona i zyskuje wyjątkowe parametry.

Minęło już pół wieku od momentu przypadkowego uzyskania pierwszych powłok diamentopodobnych (DLC – Diamond-Like Cabon). Od tamtej pory przeprowadzono wiele badań, a technologia DLC znajduje coraz więcej zastosowań. W ten sposób uszlachetnione produkty pozwalają odwlec proces zwyczajowej degradacji części lub narzędzia (np. narzędzia skrawającego, implantu medycznego, wtryskiwacza).
Warto zwrócić uwagę, że grubość nakładanych powłok jest kilkadziesiąt razy mniejsza od ludzkiego włosa. Precyzyjna obróbka części poprzez nałożenie powłok DLC istotnie wpływa na właściwości powierzchni. To dzięki zastosowaniu tej powłoki na igle rozpylacza możliwe jest m.in.: zwiększenie odporności na zużycie wynikające z tarcia, zmniejszenie oporów ruchu, poprawa odporności korozyjnej, obniżenie przyczepności zanieczyszczeń i – przede wszystkim – obietnica znaczącego, bo kilkukrotnego wydłużenia żywotności rozpylacza!
Od razu pojawia się pytanie: jak bardzo można spowolnić zużycie rozpylaczy dzięki uszlachetnieniu powierzchni igieł powłokami DLC? Czy faktycznie można spodziewać się nawet 5-krotnego wydłużenia czasu pracy rozpylacza? Jaki wpływ na detale ma zastosowanie technologicznego rozwiązania nanoszenia powłoki w obecności plazmy? Te i więcej pytań pada podczas rozmów ze specjalistami z Wuzetem. Otóż trzeba wiedzieć, że przedsiębiorstwo to sukcesywnie rozwija park maszynowy, a urządzenie do wytwarzania powłok oraz urządzenia badawcze są jednymi z najnowszych zakupów. Szczegółowy proces technologiczny nakładania powłok został zaprojektowany i wdrożony specjalnie na potrzeby igieł do rozpylaczy, które są wykorzystywane do produkcji flagowych rozpylaczy znajdujących się w ofercie firmy.
Zanim jednak skupimy się na kwestii nakładania diamentopodobnych powłok, zwróćmy uwagę na doskonałość obranej metody z punktu widzenia jakże aktualnych wyzwań stawianych przed przemysłem motoryzacyjnym. Wydłużenie trwałości igieł rozpylaczy pracujących w aparaturze wtryskowej pojazdów jest od wielu już lat polem inwencji twórczej m.in. dla inżynierów materiałowych. Tam, gdzie wybitnym wyzwaniem jest zwiększenie twardości, zmniejszenie współczynnika tarcia, i gdy jednocześnie mowa o spełnieniu reżimu produkcji części z najwęższymi tolerancjami, tam właśnie o DLC będzie coraz głośniej.

Precyzja kontrolowania procesu
Paliwo jest wtryskiwane do komory spalania przez rozpylacz stanowiący precyzyjny, nierozdzielny podzespół wtryskiwacza. Określenie „precyzyjny” wynika z tego, że poszczególne części rozpylacza – igła oraz korpus – wykonywane są bardzo dokładnie: luz między igłą a korpusem wynosi, w zależności od typu rozpylacza, od 0,002 do 0,004 mm. Jeszcze 10 lat temu mogliśmy pisać, że w zależności od systemu wtrysku paliwa, określanego rodzajem komory spalania, stosuje się dwa typy rozpylaczy. Dziś? O rozpylaczach czopikowych (jednootworowych), tak charakterystycznych w systemach wtrysku pośredniego, możemy mówić w kategorii części ustępującej pola. I to dosłownie.
– W naszym aktualnym katalogu znajdziemy już tylko pozycję D1Z1.042 do ciągnika rolniczego polskiej marki Ursus – potwierdza Adam Jóźwiak, starszy konstruktor w Wuzetem.
To rozpylacze otworowe rządzą niepodzielnie. Kojarzymy je z systemami wtrysku bezpośredniego – z komorą niedzieloną, ukształtowaną w denku tłoka. Występują setki rodzajów i odmian rozpylaczy różniących się konstrukcją korpusu i igły, wymiarami oraz charakterystyką pracy. Tym niemniej to rozpylacze otworowe napędzają współczesną motoryzację – nadal o dominującym udziale silników spalinowych.
Idąc dalej, aby spełnić najnowsze normy emisji spalin, ewoluował również wtryskiwacz. I najlepiej to widać na przykładzie skądinąd skomplikowanej i czułej aparatury paliwowej systemu common rail. Pierwsze układy tego typu pracowały na ciśnieniu sięgającym 1350 barów. Po przekroczeniu bariery 1600 barów w miejsce wtryskiwaczy elektromagnetycznych pojawiły się piezoelektryczne, pozwalające na wielokrotny dotrysk paliwa w różnych etapach pracy silnika w sposób jeszcze szybszy i precyzyjniejszy, skoro koniecznością stała się reakcja w czasie krótszym niż 0,001 s! Dość powiedzieć, że sterowniki nowoczesnych układów common rail realizują podział jednego wtrysku na kilka i więcej etapów, by uzmysłowić sobie, pod jak wiele większą presją... pracują rozpylacze.
Wtryskiwacze to elementy wymagające ogromnej precyzji podczas produkcji. Błędy kształtu igły i powierzchni wewnętrznych korpusu rozpylacza są poniżej 0,001 mm. Notabene skok igły w rozpylaczach czopikowych, z uwagi na występujący skok dławienia, wynosi od 0,4 do 1,1 mm, a w rozpylaczach otworowych jest znacznie mniejszy 
– 0,2-0,35 mm.

DLC na powierzchni igieł rozpylacza
Nazwa DLC jest skrótem z angielskiego diamond-like carbon, czyli węgiel diamentopodobny. Poza cenionymi w jubilerstwie właściwościami optycznymi diament jest najtwardszym znanym ludzkości materiałem. Powłoki DLC nie bez powodu należy kojarzyć z rewelacyjnymi właściwościami wykorzystywanymi w wielu obszarach przemysłu. W przypadku innych zastosowań, niedotyczących aparatury wtryskowej, przykładowo w tzw. narzędziówce, są one cenione wysoko, ponieważ poza mniejszym zużyciem pozwalają zredukować ryzyko powstawania narostu na krawędzi narzędzia, lepiej też rozkładają ciepło w obszarze skrawania.
Gdzie tkwi siła diamentu, skoro zbudowany jest z węgla? W ułożeniu atomów. W diamencie każdy atom węgla połączony jest silnymi wiązaniami kowalencyjnymi z dokładnie czterema innymi atomami. Tetraedryczne ułożenie wiązań tworzy sztywną, trójwymiarową sieć, która jest źródłem wysokiej twardości. Z kolei każdy atom grafitu, czyli innej odmiany węgla, ma tylko trzy wiązania kowalencyjne. Atomy tworzą płaszczyzny, które mogą łatwo przesuwać się pomiędzy sobą. Dzięki takiej budowie grafit jest miękki i zapewnia dobre właściwości smarne oraz niski współczynnik tarcia. W powłokach DLC występują zarówno wiązania charakterystyczne dla diamentu, jak i dla grafitu. Dzięki temu jesteśmy w stanie uzyskać najbardziej pożądane właściwości powierzchni igieł. Zastosowana technologia łączy wysoką twardość, typową dla diamentu, z niskim współczynnikiem tarcia grafitu.
Co istotne, ze wszystkich metod uszlachetniania części narażonych na szczególnie mordercze warunki pracy to właśnie nakładanie powłok DLC okazuje się być metodą najmniej energochłonną i niewymagającą zastosowania toksycznych substancji. Dzięki temu poprawa właściwości produktów przeprowadzana jest w sposób przyjazny dla środowiska.
Do dziś skomercjalizowano wiele maszyn, a właściwie ciągów technologicznych, by z powodzeniem uszlachetniać szczególnie narażone na degradację części aparatury wtryskowej współcześnie produkowanych pojazdów. W tym roku dzięki zakupowi zaawansowanego oprzyrządowania firmy Rubig z siedzibą w Austrii Wuzetem mógł rozszerzyć swoje możliwości produkcyjne o najnowsze typy rozpylaczy, produkowane bez udziału podwykonawców.

Techniki osadzania powłok DLC
Powłoki DLC można nakładać przy użyciu wielu technik osadzania. Najbardziej powszechne polegają na fizycznym osadzaniu z fazy gazowej (PVD), chemicznym osadzaniu z fazy gazowej (CVD) lub chemicznym osadzaniu z fazy gazowej wspomaganym plazmą (PACVD). W ramach ciekawostki dodajmy, że w branży stomatologicznej (implanty) testuje się technologię zwaną PAPVD (Plasma Assisted CVD), którą stosuje przemysł motoryzacyjny.
– Spośród różnych metod nakładania powłok DLC w Wuzetem zdecydowaliśmy się na PACVD, czyli chemiczne osadzanie z fazy gazowej ze wspomaganiem plazmowym. Zastosowanie plazmy obniża temperaturę procesu i pozwala nałożyć równomierne powłoki na częściach o skomplikowanych kształtach. W wytworzonej przy powierzchni igieł plazmie cząsteczki acetylenu ulegają rozpadowi, a pochodzące z tego rozpadu atomy węgla zostają osadzone na powierzchni igły – tłumaczy Piotr Pawluk, specjalista ds. metalografii w Wuzetem.
I od razu dodaje, że podstawową przeszkodą w wyborze metody PVD jest kierunkowy transport węgla, a to w celu równomiernego nałożenia powłoki wymaga obracania (najlepiej w kilku osiach) detalu o skomplikowanym kształcie. W przypadku PACVD, czyli chemicznego osadzania wspomaganego plazmą, powłoka powstaje równomiernie na całej powierzchni obrabianego detalu.
Metoda PACVD, jako technika wykorzystywana do nanoszenia cienkich powłok, zapewnia dobrą adhezję powłoki do podłoża i ma tę zaletę, że proces nanoszenia powłoki nie wymaga wytworzenia aż tak wysokiej temperatury jak w CVD. Plazma w połączeniu z odpowiednim doborem atmosfery pozwala również na uzyskanie dodatkowych efektów: zastosowanie argonu umożliwia optymalne czyszczenie podłoża, a zastosowanie azotu pozwala wytworzyć gradient twardości, co wpływa na uzyskanie dobrej przyczepności powłoki do powierzchni.

Dlaczego plazma? 
W Wuzetem realizowane są procesy, w których składniki atmosfery aktywowane są w obecności wyładowania jarzeniowego, czyli pod wpływem plazmy. Wytworzone w ten sposób powłoki DLC należą do najszybciej rozwijających się technologii inżynierii powierzchni i dynamicznie zyskują coraz więcej zastosowań w przemyśle.
Urządzenie marki Rubig to złożona aparatura wytwarzająca stabilną próżnię i taką też plazmę. Istotnym parametrem powłok DLC jest adhezja, czyli siła przylegania powłoki do podłoża. Mogłoby się wydawać, że im większa chropowatość, tym lepsza przyczepność, a jest zgoła odwrotnie. Wielokrotnie podczas naszych rozmów ze specjalistami z Wuzetem pada uwaga, że zaawansowany sprzęt jest nieodzowny, by zapewnić odpowiednio niską chropowatość powierzchni uszlachetnianej powłokami DLC. Poza obróbką mechaniczną bardzo istotne są też procesy mycia, by zachować kliniczną czystość – inaczej wszelkie, nawet najmniejsze zanieczyszczenia mogą się przełożyć na defekty powłoki.
– Zanim powierzchnia igły zostanie powleczona powłoką DLC, poddawana jest precyzyjnemu szlifowaniu, które zapewnia bardzo niską chropowatość. W pierwszym etapie procesu poddajemy igły azotowaniu jarzeniowemu w celu wytworzenia gradientu twardości pomiędzy twardą stalą a jeszcze twardszą powłoką. W kolejnym kroku wytwarzana jest międzywarstwa krzemu, płynnie przechodząca we właściwą powłokę DLC. Dzięki zastosowaniu tych procesów zapewniamy najlepszą adhezję, czyli przyczepność powłoki – wyjaśnia Piotr Pawluk.
Jak przebiega proces od załadunku partii igieł rozpylacza do komory wytwarzającej powłokę DLC? Wytworzenie docelowej powłoki DLC metodą PACVD zajmuje pojedyncze godziny, acz cały proces jest dość złożony, bo poprzedzają go m.in. oczyszczanie i azotowanie. Uśredniając, przeprowadzenie procesu w urządzeniu do wytwarzania powłok metodą PACVD dla jednej partii igieł rozpylaczy zajmuje około 10 godzin, nie licząc operacji przygotowawczych.
Po nałożeniu powłoki igły rozpylaczy poddawane są szczegółowej kontroli. Reprezentatywna partia igieł przechodzi ocenę wizualną, która pozwala wykluczyć obecność defektów, oraz serię badań przy użyciu zaawansowanej aparatury badawczej.
– Przy użyciu kalotestera wykonujemy zgład sferyczny, pozwalający zmierzyć grubość powłoki w wybranych miejscach na igle. Istotnym sprawdzianem jest test zarysowania – precyzyjne urządzenie diamentowym wgłębnikiem wykonuje rysę w powłoce, przy równomiernie wzrastającym obciążeniu. Jednocześnie zapisywane są siła tarcia, emisja akustyczna i profil rysy. Na ich podstawie, w połączeniu z obrazem mikroskopowym, oceniamy adhezję powłoki, czyli siłę przylegania do podłoża. Kolejne testy obejmują pomiar twardości powłoki oraz symulację warunków pracy. Pozytywne wyniki wszystkich wykonanych testów gwarantują wysoką jakość wyrobu i dopuszczają igły do dalszej produkcji – mówi Piotr Pawluk.

Nie tylko igły
Warto zauważyć, że części motoryzacyjne z powłokami DLC nie muszą być absolutnie domeną wyrobu OE.
– Jedno jest pewne, dysponując urządzeniem o takich możliwościach i unikatowym rozmiarze względem oferty producenta, w Wuzetem możemy rozwijać produkcję nowoczesnych igieł rozpylaczy, a także działalność usługową nie tylko w dziedzinie aparatury wtryskowej! – podsumowuje Piotr Pawluk.
W przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym i nie tylko, zarówno w segmencie OEM, jak i aftermarket, można stosować powłoki DLC wszędzie tam, gdzie części i poszczególne podzespoły narażone są na ekstremalne tarcie i trudne warunki pracy. To także wały napędowe czy korbowe, głowice cylindrów, zawory i ich dźwignie, koła zębate, przekładnie, piasty itd.

Rafał Dobrowolski
Fot. Wuzetem