Aplikace tenkých vrstev ve strojírenství

Transkript

1 TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO TĚŽKOOBROBITELNÉ PLASTY VÝVOJ TENKÝCH VRSTEV APLIKOVANÝCH NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH Aplikace tenkých vrstev ve strojírenství Tato přednáška vznikla sloučením dvou původních příspěvků, které jsou uvedeny ve sborníku na str

2 2

3 3 Materiál nástroje Geometrie nástroje Technologické podmínky obrábění

4 V dnešní době to však k úspěchu nástroje nestačí 4 Větší trvanlivost nástroje (využití v hromadné výrobě, automaty) Obrobený povrch s vyšší kvalitou (lepší povrch při stejné ceně vyšší kvalita) Obrábění s minimálním množstvím procesní kapaliny (ekologie, cena, starosti s recyklací a skladováním)

5 Komplexní řešení cesta k úspěchu 5

6 Co je to tenká vrstva? 6 Srovnání tloušťek lidského vlasu a vrstvy deponované CVD technologií (u PVD vrstev je tloušťka 1-5µm)

7 Proč nalezla tenká vrstva v řezném procesu takové uplatnění? 7 Vrstvy firmy LISS Platit a.s. Zdroj: Ceme Con, Kunden Magazin fur Beschichtungstechnologie, Science, Nr. 10, Januar 2004 Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde Důležité vlastnosti řezného nástroje tvrdost nízký koeficient tření tepelná bariéra

8 Systém tenká vrstva-substrát 8 Vrstva Rozhraní Substrát Deponované tenké vrstvy je třeba chápat jako systém, neboť vrstva pro svoji tloušťku dosahuje společně se substrátem specifických vlastností a chování. Samotné tenké vrstvy mají na rozdíl od objemových materiálů rozdílné vlastnosti a to nejen z důvodů svojí tloušťky, ale i následkem depozičních procesů, které lze označit jako nerovnovážné a iniciující vznik metastabilních fází.

9 9 Pro zajištění požadovaných vlastností je nutné věnovat pozornost všem složkám tvořící daný systém Otěruvzdorná vrstva Odolnost proti opotřebení Redukce tření Korozní odolnost Difúzní bariéra Tepelná bariéra Substrát Pevnost Tuhost Geometrie Mezivrstva Adheze Bariéra rozvoje trhlin Kompenzace dilatace a pnutí Modifikace struktury a morfologie

10 CVD depozice vrstvy TiC na řezné destičce ze slinutého karbidu Firma Ceratizit sídlí v rakouských Alpách v blízkosti jezera Plansee.

11 11 Moderní struktura vrstvy Monovrstva Monovrstva s adhezní vrstvičkou 80. léta Gradientní vrstva Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde

12 Moderní struktura vrstvy 12 Sendvičově řešená vrstva Skladba vrstvy Část výbrusu kaloty

13 Moderní struktura vrstvy - Nanostrukturované vrstvy 13 Nanovrstevná struktura Substrát 100 nm Zdroj: Pavel Holubář, Nová průmyslová technologie povlakování Přednáška Vrstvy a Povlaky 2003 Schématický postup šíření trhliny multivrstevným systémem

14 14 Nanokompozitní struktura; nc- (Ti 1-x Al x )/a-si 3 N 4 Model TEM obrázek monovrstvy nc-kompozitu Source: S. Veprek, TU München Zdroj: S. Veprek, TU Mnichov Nanorozměrové krystaly AlTiN jsou vsazeny do matrice Si 3 N 4 Zdroj: S. Veprek, TU Mnichov Měřeno v EPF, Lausanne

15 Tvrdost Tvrdost [GPa] 15 Zdroj: Cselle Tibor, přednáška Quo Vadis Coating, Vrstvy a Povlaky 2004 Nedeponované SK Zvýšení mikrotvrdosti aplikací progresivních tenkých vrstev TiAlSiN TiN TiAlN AlTiN TiAlSiN

16 Vývoj nanokompozitní vrstvy : naco : TiAlN / SiN x : pro obecné použití 2004: nacro : AlCrN / SiN x : pro použití v obtížných podmínkách 2005: naco +: TiAlN / Si(+)N x +CBC: pro použití v těžkých podmínkách 2006: nacvic : AlCrN / SiN x + CBC: pro kombinované použití Zdroj: Cselle Tibor, přednáška Quo Vadis Coating 2007, Vrstvy a Povlaky 2006

17 naco nanokompozit založený na bázi Ti. nc-altin / a-si 3 N 4 17 Největší novinka roku 2006 v oblasti průmyslové aplikace tenkých vrstev na řezných nástrojích je AlCrN / SiNx + CBC (PLC) nacro.. nanokompozit založený na bázi Cr nc-alcrn / a-si 3 N 4 The Camel-Curve : Nanocomposite Structure Eliminates Disadvantages of Conventional Coating nacro : Nanocomposite: (nc-alcrn)/(a- Si 3N 4 ) AlCrN Zdroj: Cselle Tibor, přednáška Quo Vadis Coating, Vrstvy a Povlaky 2004

18 Kluzné vrstvy 18 1,1 1,0 0,9 0,8 Srovnání - "PIN - on - DISC" ball Al2O3 Srovnání koeficientu tření PIN (kulička) AlTiN Al 2 O 3 MoS2 AlTiN Vrstva na bázi uhlíku 0,7 koef. tření 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 MoS 2 Vrstva na bázi uhlíku 0,1 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 Dráha v km Krystalografická mřížka MoS 2

19 Polymer-Like Carbon (PLC) - Diamond-like carbon (DLC) Hybridizace orbitalů (a) sp, (b) sp2, (c) sp3 Hybridní orbitaly sp vzniknou hybridizací jednoho orbitalu s a jednoho orbitalu p. (a) (b) (c) Ternární fázový diagram vazeb u a C:H. Změnou koncentrace vodíku a poměru sp2 / sp3 vazeb mohou být připraveny měkké polymer-like (PLC) vrstvy nebo tvrdé amorfní diamond-like carbon (DLC) vrstvy. Diamond-like carbon (DLC) vrstvy mají podobné mechanické, optické, elektrické a chemické vlastnosti jako přírodní diamant, ale nemají jednoznačnou krystalovou strukturu. Jsou amorfní a skládají se ze směsi sp3 a sp2 uhlíkových struktur. Zdroj: Sosnová M., Kříž A., Hájek J.: FRICTION THIN LAYERS, Vrstvy a Povlaky 2005

20 Průmyslová aplikace kluzných vrstev 20 Schéma oddělování třísky u hliníkových slitin

21 Tvar třísek při obrábění hliníkových slitin 21

22 Vytváření nárůstku na břitu nástroje při obrábění hliníkových slitin 22

23 Vyplatí se depozice řezných nástrojů? Odvrtaná délka; Lf [m] 60 Bez PVD Povlakovaný nástroj přeostřeno Přeostřeno+přepovlakováno Ceny dle katalogu 45,- Kč /1m odvrtané délky 78,- Kč /1m odvrtané délky Přeostřeno a deponováno Přeostřeno Depozice ,- Kč /1m odvrtané délky Přeostřeno Přeostřeno a deponováno Depozice 288,- Kč /1m odvrtané délky 0 Bez TiN Multivrstva TiAlN vrstvy Bez vrstvy TiN TiAlN Bez vrstvy

24 České firmy zabývající se depozicí tenkých vrstev 24 38/39

25 Následující praktický příklad aplikace tenkých vrstev na řezných nástrojích má za cíl dokumentovat nejen vlastnosti tenkých vrstev, ale především ukázat komplexní řešení problému, které si mnohdy vyžádá netradiční přístup a využití všech dostupných poznatků. 25

26 Obráběný sendvičový materiál 26

27 27 Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu a rovněž z negativního ovlivnění kvality obrobené plochy.

28 Skutečný problém byl ve vytvoření defektních otřepů na obrobené ploše, aniž by nastalo výrazné opotřebení břitu nástroje. 28

29 29 Stav břitu v okamžiku špatné kvality obrobené plochy

30 Způsob řešení 30 Materiálové řešení: materiál nástroje povrchová úprava Geometrie nástroje: mikrogeometrie makrogeometrie Úprava technologie obrábění: v současné době jsou prováděny rozsáhlé zkoušky, které objasní tyto souvislosti. Prozatím je zjištěno, že při sousledném obrábění je kvalita obrobené plochy HORŠÍ než při nesousledném. 6 / 28

31 Průběh obrábění 31 Nesousledně Sousledně Celkem 363mm 190mm 553mm

32 Úprava mikrogeometrie před depozicí 32 Omletí v ořechových skořápkách s brusivem Al 2 O 3 Otryskání1 Al 2 O 3 7 mikronové zrno Omletí 2 v ořechových skořápkách s brusivem Al 2 O 3 Otryskání2 diamantovým prachem unášeným gumovým granulátem

33 33 Před otryskáním Reálný stav běžně broušeného nástroje ze slinutého karbidu Po otryskání

34 Změna povrchu následkem předdepoziční úpravy břitu nástroje 34

35 35

36 Povrchová úprava nástrojů v aplikaci obrábění sendvičových težkoobrobitelných plastů 36 Nanokrystalická vrstva TiAlSiN

37 37 Gradientní vrstva TiAlN s kluznou vrstvou na povrchu Monovrstva vrstva TiAlN

38 Testované nástroje a jejich povrchová úprava Otrysk u dodavatele tryskacích strojů Otrysk u dodavatele tryskacích strojů Omleto u výrobce vrstvy TiAlN - gradientní Omleto u výrobce vrstvy Otrysk u dodavatele tryskacích strojů Otrysk u dodavatele tryskacích strojů Omleto u výrobce vrstvy TiAlSiN Beze změny Beze změny Omleto u výrobce vrstvy TiAlSiN Omleto u výrobce vrstvy Beze změny Beze změny Bez vrstvy TiAlSiN Bez vrstvy TiAlSiN TiAlN - monovrstva TiAlN gradientní s kluznou vrstvou Bez vrstvy Bez vrstvy TiAlSiN TiAlN - monovrstva TiAlN gradientní s kluznou vrstvou TiAlN gradientní s kluznou vrstvou TiAlN - monovrstva

39 Bylo obráběno 10 desek se stejnými řeznými podmínkami: n = ot/min f = mm/min (fz = 0,15) Po obrobení čtyř desek byly břity nástrojů zdokumentovány na řádkovacím elektronovém mikroskopu - po focení bylo provedeno frézování dalších 6 desek. 39 Celkové vyhodnocení chování nástrojů dle vrstev Varianta I. II. III. Prům. Gradientní TiAlN s kluznou vrstvou 1,78 1,33 2,00 1,71 1. Nanokompozitní TiAlSiN 1,55 2,11 2,00 1,89 3. Monovrstva TiAlN 1,78 1,56 2,00 1,78 2.

40 Technologické zkoušky v laboratorních podmínkách 40 Způsob opotřebení zahrnuje faktory, které mnohdy zůstávají nepovšimnuty -např. chvění nástroje nevyvážeností, nedostatečnou tuhostí nástroje, obrobku.

41 41 Cíl laboratorních testů porozumět dějům při obrábění

42 Provedené laboratorní testy: 42 Mikrotvrdost Scratch test vrypová zkouška Tribologický test - poupravena metodika testování Testy u nichž byly vyvinuty nové metodiky zkoušení: Tribologická zkouška za rotace Impact test Fretting test

43 Mikrotvrdost 43

44 HIT - instrumentovaná nanotvrdost [GPa] 1-TiAlSiN (bez změny substrátu) 8 - naco+dlc(bez změny substrátu) 11 - naco+dlc (otryskání LISS) 15 - Etreme (beze změny) 22 - Exceed (beze změny) CSI TiAlSiN (metal. leštěn) DSI naco+dlc (met. leštěn) TSI - Etreme (met. leštěn) Energie elastické a plastické deformace 44 We + Wr [nj] 1-TiAlSiN (bez změny substrátu) 8 - naco+dlc(bez změny substrátu) 11 - naco+dlc (otryskání LISS) 15 - Etreme (beze změny) 22 - Exceed (beze změny) CSI TiAlSiN (metal. leštěn) DSI naco+dlc (met. leštěn) TSI - Etreme (met. leštěn)

45 Scratch test vrypová zkouška 45 Parametry zkoušky při použití standardních podmínek měření 10 mm/min a 100 N/min., zatížení N, indentor je diamantový Rockwellův kužel s vrcholovým úhlem 120 a s poloměrem zaoblení špičky hrotu 200 mm. Zatížení v místě, kde došlo k prvnímu porušení vrstvy (trhliny) LC1, porušení vrstvy většího rozsahu LC2, první odhalení substrátu LC3, totální odhalení substrátu LS

46 46 Hodnoty kritických zatížení Vzorek L c1 [N] Kritické zatížen ení Lc [N] L c2 [N] L c3 [N] L [N] s TiAlSiN 16 ± 5 39 ± ± 1 62 ± 1 TiAlN + PLC 38 ± 2 47 ± 1 52 ± 0 52 ± 0 TiAlN 21 ± 2 46 ± 0 53 ± 0 57 ± 2

47 47 Vzorek Popis porušení Vyhodnocení z hlediska A/K porušení TiAlSiN Rozmáznutí makročástic přejetím hrotu. Vrstva se neštěpí, má dobrou plasticitu. V oblasti vyšších zatížení nastává mírné vrásnění vrstvy, které přechází v její štěpení, zejména podél hrany vrypu 1 3 TiAlN + PLC Neštěpí se, na okrajích vrypu se vyskytují pouze jemné trhlinky kohezivního charakteru. Uvnitř stopy se vrstva jemně vrásní, ale nedochází k žádnému vytrhávání. Vrstva se pouze kohezivně porušuje až do dosažení L c3 a Ls. 3 1 TiAlN Vrstva se porušuje uvnitř stopy vrypu rozmazává se. Na okrajích vrypu nedochází k porušení, pouze po dosažení kritického zatížení L c3. 2 2

48 TRIBOLOGICKÝ TEST 48 Tribologický test metodou PIN-on-DISC není pouze prostředek k získání hodnot koeficientu tření určité materiálové dvojice, ale je jedním z nejdůležitějších laboratorních testů, který má za cíl určit charakter daného experimentálního materiálu a oblast jeho využití. Podmínky tribologického testu byly koncipovány tak, aby nastalo odhalení substrátu. Tribologické testy byly provedeny díky vstřícnosti následujících pracovišť: NTC ZČU v Plzni KFY ZČU v Plzni FST ČVUT Praha

49 49 friction coefficient 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Průběh koeficientu tření TiAlN TiAlSiN TiAlN s kluznou vrstvou ,1 0

50 vrstva TiAlSiN cyklů 50 vrstva TiAlN + PLC cyklů vrstva TiAlN 7000 cyklů

51 Vliv změny reliéfu povrchu na koeficient tření 51 friction coefficient 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 Výpočet dynamického koef. tření průměrná hodnota z této oblasti 0,04 0,02 0,00 laps Exp. 1 - Měření statického koeficientu tření při pokojové teplotě Exp. 2 - Zjištění dynamického koeficientu tření při pokojové teplotě Exp. 3 - Sledování chvění při pokojové teplotě při nízké rychlosti Exp. 4 - Sledování chvění při pokojové teplotě při vysoké rychlosti

52 Hodnocení výsledků tribologického měření 52 Vzorek Exp. 1 Exp.2 Pořadí Exp. 3 Exp. 4 Celkem Pořadí 2- TiAlSiN beze změny TiAlSiN omleto naco+dlc beze změny naco+dlc otryskání Xtreme beze změny Mazak otryskání K10 UF 2 7, , Exceed Balzers beze změny 5 7, ,5 5-6

53 Nový přístroj a metodika tribologického měření 53 Snímání koeficientu tření: zvoleno sledování koeficientu tření pomocí snímačů prodloužení, které umožní snímat odchylku ramene max. 2mm smax. měřící frekvencí 4,8 khz. Zařízení rovněž umožňuje v případě potřeby doplnit i snímač napětí ve vertikální směru (okamžité zatížení Fn). Měření opotřebení: zvoleno bylo tzv. off-line měření pomocí konfokálního mikroskopu spřesností minimálně 0,2µm. Konfigurace kontaktního namáhání: Z důvodů uvedených v předchozích kapitolách byla navržena konfigurace znázorněná na obrázku. Nástroj neobrábí, ale smýká se po podložce. Pomocí této konfigurace je možné dosáhnout podmínek obdobných jako na hřbetu nástroje.

54 Konstrukce nového tribologického přístroje: 54 ZKONSTRUOVANÉ ZAŘÍZENÍ: Maximální zatížení 150 N. Maximální rychlost 3000 ot./min. Maximální průměr měřených vzorků 30cm. Nerovnost sklíčidla 0,05mm. Snímání třecí síly: snímače polohy, max. výchylka ± 1mm. Software umožňuje připojení snímače sledujícího okamžité zatížení. Měření opotřebení pomocí konfokálního mikroskopu. Laserový ohřev. Toto řešení se přiblíží praktickým aplikacím!

55 Tribologická zkouška za rotace 55 Rychlost rotace polypropylenového tělíska 3000 ot./min. Test byl rozdělen na několik časových úseků po 5.,15.,30.,60. a 90. minutě. Detail stopy vzorku bez vrstvy s vyznačením jednotlivých druhů opotřebení po 30 minutách testu

56 56 Stopa opotřebení vzorku bez vrstvy po 90 min. testu. Záznam byl proveden pomocí konfokálního mikroskopu. Stopa opotřebení vzorku s vrstvou TiAlN+DLC po 90 min. testu. Záznam byl proveden pomocí konfokálního mikroskopu. Při tribologickém testu za rotace testu se potvrdil velmi důležitý poznatek. Skleněná vlákna, která jsou chaoticky umístěna v polypropylenu, neovlivňují výrazně mechanismus poškození povrchu. V žádném sledovaném případě nebyly shledány výrazně degradující stopy po abrazivním opotřebení.

57 IMPACT TEST Impact test umožňuje testovat vybrané vrstvy na únavovou pevnost, zatímco např. zkoušky založené na scratch testu (postupném vnikání hrotu do povlaku při zvětšujícím se zatížení) mohou být nedostatečné pro simulaci podmínek, kdy je povrch materiálu vystaven rázovému únavovému opotřebení. 57 Impact test vlastní konstrukce, na němž v současné době probíhá testování a vytvoření metodiky.

58 VYUŽITÍ KONFOKÁLNÍHO MIKROSKOPU 58 Konfokální mikroskop Olympus LEXT OLS3000 Tento přístroj pořídila FST ZČU díky vzájemné spolupráci s Fakultou elektrotechnickou ZČU v Plzni.

59 59

60 60 Využití konfokálního mikroskopu při dokumentaci a kvantifikaci opotřebení nástroje

61 ZÁVĚR Depozice i tenké vrstvy samotné prodělaly za posledních 40 let značný vývoj. Ovlivnily celou řadu odvětví, přesto jejich možnosti nejsou ještě plně zmapovány natož vyčerpány. Pro jejich aplikační využití je třeba sledovat celou řadu faktorů a vlastností, které si vyžádají mnohdy netradiční přístup, stavbu nových přístrojů a vytvoření progresivních metodik. Tato cesta, která není jednoduchá ani krátká, však může jedině přinést úspěch.

62 Prezentaci upravené přednášky je možné stáhnout na internetové adrese: