TEPLOTNÍ DEGRADACE TENKÝCH OTĚRUVZDORNÝCH PVD VRSTEV. Autor: Ing. Petr Beneš Školitel: Doc. Dr. Ing. Antonín Kříž

Transkript

1 TEPLOTNÍ DEGRADACE TENKÝCH OTĚRUVZDORNÝCH PVD VRSTEV Autor: Ing. Petr Beneš Školitel: Doc. Dr. Ing. Antonín Kříž

2 Tenké PVD vrstvy 1968 vytvořena první PVD vrstva TiN Do současnosti vytvořeno mnoho druhů PVD, zvláště na bázi nitridů cílená kombinace přísadových prvků => zlepšení mechanických vlastností, zvýšení tvrdosti, snížení koeficientu tření, zlepšení kohezivně-adhezivního chování, zvýšení oxidační odolnosti Přísadové prvky: Ti, Al, Si, Cr nejčastěji W, B, C, Hf, Ta pro tvářecí aplikace Nově vytvořené typy vrstev další cílené zlepšení vlastností

3 Tenké PVD vrstvy Pro řezné aplikace nejčastěji: Nitridové: TiAlN, TiCN, CrN, AlCrN,TiAlCrN, CrAlSiN Nenitridové: DLC (Diamond-Like Carbon), AlCrN, WC/C, CrC Malá teplotní odolnost, jedinečné svými frikčními vlastnostmi Uplatnění: pro aplikace vystavené kontaktnímu opotřebení obráběcí nástroje, tvářecí nástroje, převodovky, ložiska pracující s vysokými zatíženími, formy pro vstřikování plastů, přesné součástky vysoce namáhaných spalovacích motorů, systémy bez možnosti mazání,

4 Teplotní degradace tenkých otěruvzdorných PVD vrstev od počátku 80.let systematický výzkum vlastností PVD vrstev a omezení vyplývajících z jejich vnitřní stavby vlastnostem PVD vrstev za normální teploty se odhadem věnuje cca 90% odborných publikací, zbylých cca 10% se věnuje chování za zvýšených teplot PVD vrstvy používány především pro aplikace vystavené teplotnímu zatížení Kritický nedostatek informací o teplotní degradaci a chování PVD vrstev Chybný výběr optimální vrstvy pro danou aplikaci Selhání vrstvy důvod: vlastnosti a chování vrstev při vysokých teplotách značně odlišné od normálních teplot

5 Teplotní degradace tenkých otěruvzdorných PVD vrstev Působením teploty na PVD vrstvy: změny ve vnitřní stavbě vrstvy (změny objemové) změny v povrchové morfologii (změny povrchové) DEGRADACE změny povrchově - objemové vznik oxidických produktů - filmů Negativní i pozitivní vliv Oxidické filmy: systém substrát tenká PVD vrstva systém substrát tenká PVD vrstva oxidický film Každá složka systému působí svými účinky synergicky na celý systém; nelze zkoumat vlastnosti nebo chování pouze jedné složky

6 ke zjišťování komplexních vlastností teplotně degradovaných vrstev je nutné používat takové experimentální metody, které zkoumají celý systém, tak jak je zatěžován v reálných aplikacích Velké množství vyráběných PVD vrstev, které se vůči sobě liší v mnoha aspektech. Různý obsah přísadových prvků může mít pro celkové chování vrstvy za podmínek vysokých teplot odlišný vliv každý typ vrstvy vykazuje za vysokých teplot specifické chování. Nízká opakovatelnost depozičního procesu při výrobě PVD vrstvy; na konečné vlastnosti má vliv velké množství depozičních parametru nelze nalézt všeobecně platné principy vlivu jednotlivých prvků (vrstvy vytvořené metodami PVD jsou metastabilními systémy)

7 Teplotní degradace jako důsledek řezného procesu řezný proces = složitý fyzikálně mechanický děj dochází k přeměně vstupní energie na energii vynaloženou na tvorbu třísky = obrobení obrobku úběr materiálu se realizuje lokálním překročením kohezní pevnosti mezi deformovaným a nedeformovaným materiálem třením třísky s čelem nástroje vzniká velké množství tepla na tvorbu tepla na břitu nástroje se spotřebuje více než 90% vstupní energie

8 za daných podmínek může být na čele břitu nástroje dosaženo teploty až 1300 C Rozdělení teplotního pole je dáno součinitelem tepelné vodivosti: 1. Obráběného materiálu 2. Řezným materiálem 3. PVD vrstvou deponovanou na nástroj Tepelné vodivosti některých slitin Některé důležité parametry v místě kontaktu břit nástroje - tříska

9 Zdroje tepla při obrábění Tepelné toky při obrábění mikronerovnosti na nástroji i na obrobku zvyšují teplotu čím více bude vrstva deponovaná na nástroji zabraňovat přestupu tepla do nástroje, tím více tepla se bude odvádět do třísky vrstva jako teplotní bariéra Může PVD vrstva o tloušťce několik mikrometrů plnit fyzikálně a termomechanicky tuto úlohu? X Vrstvy TBC tloušťka od 100 μm do 1 mm

10 Komerčně používané vrstvy a jejich mechanismy teplotní degradace Ti 1-x Al X N vrstvy do 60 at.% ve vrstvě pouze fcc krystalografická struktura při vyšších koncentrací Al vzniká kromě fcc struktury i struktura hcp nad 65 at.% pouze hcp krystalografická struktura zhoršení tep.od. teplotním zatížením dochází ke zlepšení mechanických vlastností: 1. Dochází k sekundární fázové transformaci vytváří se příznivá nanokompozitní struktura, která je tvořena dominantní koherentní nanofází c-aln v matrici koherentnost = zachování tvrdosti i při vysokých teplotách 2. Teplotně vyvolaná tvorba oxidického filmu Al 2 O 3

11 3. Snížení hustoty vad v krystalografické mřížce vrstev Ti 1-x Al X Nv důsledku ohřevu vrstvy Oxidické filmy vytvořené na vrstvách Ti 1-x Al X N oxidickými filmy je řízena rychlost oxidace nutnost jejich zkoumání problém kvantifikace oxidických filmů: existuje jen velice málo metod, kterými lze získat relevantní údaje (+ vysoká cena) SIMS, AES, RBS, XPS. složení oxidického filmu je silně závislé na: složení vrstvy poměr Al/Ti teplotě oxidace nad 800 C vzniká vrstevná struktura ox.filmu, do 600 C vzniká směs oxidů složených z Al 2 O 3 a TiO 2. době teplotní expozice ze vztahu parabolické rychlosti růstu oxidického filmu

12 Difuzní mechanismy při oxidaci vrstev Ti 1-x Al X N Difuze Al je hybnou silou oxidace vrstev Ti 1-x Al X N. Rychlost difuze Al v Al 2 O 3 filmu je nejrychlejší za teplot C

13 Vrstvy s obsahem Cr Alternativou k vrstvám TiAlN CrAlN Vysoká chemická stabilita při vysokých teplotách, zvýšená adheze k substrátu i za vyšších teplot Stabilizace fáze AlN i při vysoké koncentraci Al Koncentrace Al v rozsahu % zajišťuje stabilizaci fcc-alcrn, další zvyšování vede k vytvoření nových fází, které zhoršují fyzikálně-chemické vlastnosti vrstev Vysoký podíl Al zvyšuje oxidickou odolnost vrstev podporou tvorby oxidických filmů na bázi Al-Cr-O

14 Vrstvy CrN Oxiduje za tvorby oxidu Cr 2 O 3 (náhradou dusíku kyslíkem) za současného uvolňování N do prostředí Ox.film Cr 2 O 3 si uchovává značné elastické vlastnosti i za vysokých teplot, vytváří celistvou ox.vrstvu na povrchu vrstvy Vlivem teploty náchylná k rekrystalizačním procesům zhoršení mech.vlastností Mikrostruktura z příčného výbrusu vrstvy CrN zahřáté na 800 C po dobu 2 hod.

15 Teplotně indukované jevy vyvolané ve vrstvách změny objemové (vnitřní) změny povrchové změny povrchově objemové Vzhledem k malé tloušťce PVD vrstev vyvolá objemová změna odezvu na jejím povrchu Změny objemové: fázové změny (spinodální rozpad) růst zrna vrstvy segregace prvků a fází Změny povrchově objemové: tvorba prázdných míst nebo trhlin v důsledku cyklického pnutí Změny povrchové: tvorba vyvýšenin (tzv.hillocků) na povrchu vrstvy zvýšení drsnosti v důsledku tvorby oxidických filmů zvýšení drsnosti v důsledku tvorby oxidických produktů

16 Teplotně vyvolané povrchové změny tenkých vrstev zvýšení drsnosti v důsledku tvorby oxidických filmů, oxidických produktů, krystalitů a tvorby vyvýšenin tzv. hillock mohou negativně ovlivňovat výsledky laboratorních testů např.tribologická měření, fretting test, scratch test apod. Některé typy oxid.filmů vytváří oxidickou glazuru snížení povrchové drsnosti (charakteristické pro vrstvy s obsahem Cr a Si)

17 Teplotně vyvolané povrchové změny tenkých vrstev oxidické produkty vzniklé oxidací substrátu zvláště u vrstev obsahující makrodefektní místa (volná místa, makročástice nečistot), či trhliny oxidické produkty s časem teplotní expozice zvětšují svůj objem, dochází vlivem vnitřního pnutí v substrátu k vytlačování oxidujícího substrátu na povrch. Generovaná pnutí jsou velmi vysoká, takže dochází k rozšíření defektu vrstvy a k delaminaci vrstvy Oxidická makročástice u vrstvy TiAlN deponované na substrátu K20 Vzájemné propojování defektu

18 Teplotně vyvolané povrchové změny tenkých vrstev Rozdíl napětí generovaných ve vrstvě deponované na substrát může díky značně velkým hodnotám součinitele teplotní roztažnosti způsobovat protlačování materiálu a substrátu na volný povrch (skrz defekty, trhliny apod.) vznik tzv.hillocků Preferovanými nukleační místa oslabení rozhraní mezi vrstvou a substrátem Růst hillocků je umožněn difuzí atomů za působení tlakového napětí, které je přítomno v blízkosti každého nově vznikajícího hillocku. Příčný řez hillockem vytvořený penetrací skrz 1 μm tlustou Al vrstvu deponovanou na Si substrátu Schéma pravděpodobného mechanismu růstu hillocku

19 Cyklické teplotní namáhání vrstev V důsledku rychle se měnící fáze obrábění (ohřev ochlazení) je břit vystaven cyklickému namáhání teplotními rázy Teplotní rázy jsou příčinou střídavého tahového a tlakového napětí v povrchových vrstvách nástroje Vznik trhlinek a následné křehké porušení břitu Vůči teplotnímu cyklování jsou nejodolnější multivrstevné, nebo nanokompozitní typy tenkých PVD vrstev

20 Oxidické filmy produktem povrchové oxidace dochází k pasivaci povrchu vrstvy x hloubková oxidace nevratná degradace vrstvy pasivace povrchu zpravidla zpomaluje další oxidaci u vrstev obsahující Al vzniká Al 2 O 3 film vysoká chemická a tepelná stabilita a výborné mechanické vlastnosti další oxidické filmy: Cr 2 O 3, TiO 2, SiO 2 a jejich vzájemné kombinace PVD vrstva jako : 1. Teplotní bariéra? 2. Zdroj prvků pro cílený vznik oxidických filmů? Záměrná chemická skladba PVD vrstvy pro podporu tvorby příznivých oxidických filmů

21 Oxidické filmy Oxidační proces je doprovázen tvorbou napěťových procesů a následných relaxací zbytková napětí vliv na integritu systému oxid.film substrát Napětí v oxidickém filmu může být generováno: 1. Vlastním růstem oxidu 2. Rozdílnou teplotní roztažností oxidu a substrátu 3. Fázovou transformací oxidického filmu Napětí může být uvolněno: 1. Deformací substrátu 2. Fázovým rozpadem 3. Elastickým porušením oxidického filmu Oxidický film roste nejen na povrchu vrstvy, ale i na rozhraní vrstva oxidický film 3 úlohy oxidického filmu: 1. Zvýšení mechanických vlastností podkladové vrstvy - otěruvzdornost 2. Teplotní bariéra 3. Difuzní bariéra

22 Způsoby experimentálního ohřevu vzorků deponovaných tenkými PVD vrstvami Je nutné zvolit vhodný způsob ohřevu vrstev, který bude nejvěrněji simulovat skutečné teplotní podmínky jaké vznikají ve skutečných aplikacích, např. při obrábění Velmi rychlý ohřev ( C.s -1 ) Teplotní tok pouze z vrstvy do substrátu, nikoliv opačně Ohřev v peci: Pomalý ohřev Všesměrový ohřev v reálných aplikacích se nevyskytuje kontaktní ohřev laserový ohřev indukční ohřev

23 Kontaktní ohřev Přestup tepla do vzorku prostřednictvím ohřívaného tělesa Ohřívané těleso chemicky a oxidačně stálé, hladké ohřev: plynový ohřev, elektrický ohřev K dosažení vysokých tlaků přítlačné zařízení Laserový ohřev vysoká rychlost ohřevu laserový ohřev závisí na fyzikálních veličinách, které se při kontaktním způsobu ohřevu neuplatňují např.absorbce záření není čistě povrchovým ohřevem část záření proniká do různé hloubky systému tenká vrstva substrát vznik plasmy

24 Experimentální program 1. Zjištění vlivu teplotně indukovaných oxidických filmů na komplexní vlastnosti PVD vrstev 2. Zhodnocení odolnosti komerčně používaných PVD vrstev vůči teplotnímu zatěžování Provázanost mezi experimentálními testy a reálným chováním vrstev ve skutečných aplikacích Experimenty zvoleny tak, aby zaznamenaly povrchové i objemové jevy vyvolané v důsledku teplotního zatížení

25 Tribologická měření povrchové jevy, oxidické filmy budou probíhat na nově zkonstruovaném tribometru; svými parametry umožní vytvořit v místě kontaktu vlivem tření vysoké frikční teploty. Impact tester zkoumání odolnosti vůči rázovému únavovému zatěžování Periodické kontaktní namáhání povrchu vzorku silou až 1200N a frekvencí až 50 Hz analogie k opakovaným nárazům břitu nástroje s obrobkem Teplotní zatěžování vzorků Teplotním cyklováním pomocí nově zkonstruované pece cyklická tahová a tlaková pnutí v systému tenká PVD vrstva substrát Různé režimy ohřevu a chladnutí kritická rychlost ohřevu/ochlazování

26 Stanovení metodiky ohřevu z důvodu zachování podobnosti s ohřevem vrstev v reálných aplikacích 1. 1-směrový horní ohřev kontaktní ohřev prostřednictvím ohřívané ocelové plotýnky (AISI 310S) oxidické produkty, povrchová morfologie 2. 1-směrový spodní ohřev - kontaktní ohřev prostřednictvím ohřívané ocelové plotýnky, vzorek zahříván ze spodní strany jednosměrná difuze, posouzení funkce vrstvy jako difuzní bariéry 3. 2-směrový plošný ohřev kontaktní ohřev z obou stran vzorku 4. Objemový ohřev v odporové peci srovnání s ostatními typy ohřevu

27 Laserový ohřev dosavadní experimenty ukázaly, že laserový ohřev může při určitých parametrech laserového svazku vyvolat zlepšení kohezivních a adhezivních vlastností tenkých PVD vrstev cílené zvyšování mechanických vlastností pomocí dodatečného laserového ohřevu řezné hrany obráběcího nástroje CrAlSiN, T= 1000 C TiAlN, T= 700 C

28 Děkuji za Vaší pozornost