TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO TĚŽKOOBROBITELNÉ PLASTY VÝVOJ TENKÝCH VRSTEV APLIKOVANÝCH NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH

Transkript

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

2 Obráběný materiál 2

3 3 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.

4 Skutečný problém byl ve vytvoření defektních otřepů na obrobené ploše, aniž by nastalo výrazné opotřebení břitu nástroje. 4

5 Stav břitu v okamžiku špatné kvality obrobené plochy 5

6 Komplexní řešení cesta k úspěchu 6 13/58

7 Způsob řešení 7 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

8 Průběh obrábění 8 Nesousledně Sousledně Celkem 363mm 190mm 553mm

9 Materiál nástroje Materiálové řešení 9 V současné době se aplikuje velmi jemný slinutý karbid K10UF K IC = 6,2 HV50 L MPa m 1/2 Lomová houževnatost KIC= 10,2±0,4 MPa m1/2

10 Úprava mikrogeometrie před depozicí 10 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

11 11 Před otryskáním Reálný stav běžně broušeného nástroje ze slinutého karbidu Po otryskání

12 Změna povrchu následkem předdepoziční úpravy břitu nástroje 12

13 (Makro) geometrie nástroje 13 ostatní - kombinace 50% řezné materiály 19% geometrie řezných nástrojů 1% tenké vrstvy 30% Rozdělení hlavních nároků patentových přihlášek v oboru řezných nástrojů v Německu. r Zdroj: Evropský patentový úřad Mnichov

14 14

15 15 VÝVOJ TENKÝCH VRSTEV APLIKOVANÝCH NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH 1968 CVD depozice vrstvy TiC na řezné destičce ze slinutého karbidu Firma Ceratizit sídlí v rakouských Alpách v blízkosti jezera Plansee.

16 Co je to tenká vrstva? 16 Srovnání tloušťek lidského vlasu a vrstvy deponované CVD technologií (u PVD vrstev je tloušťka 1-5µm) 3/39

17 Rozšíření použitelnosti řezného nástroje 17 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

18 Systém tenká vrstva-substrát 18 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.

19 19 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

20 20 Moderní struktura vrstvy Monovrstva Monovrstva s adhezní vrstvičkou 80. léta Gradientní vrstva Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde

21 Moderní struktura vrstvy 21 Sendvičově řešená vrstva Skladba vrstvy Část výbrusu kaloty

22 Moderní struktura vrstvy - Nanostrukturované vrstvy 22 Nanovrstevná struktura Substrát 100 nm Zdroj: Pavel Holubář, Nová průmyslová technologie povlakování Přednáška Vrstvy a Povlaky 2003 Schématický postup šíření trhliny multivrstevným systémem

23 23 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

24 Tvrdost Tvrdost [GPa] 24 Zdroj: Cselle Tibor, přednáška Quo Vadis Coating, Vrstvy a Povlaky 2004 Nedeponované SK Zvýšení mikrotvrdosti aplikací progresivních tenkých vrstev TiAlSiN TiN TiAlN AlTiN TiAlSiN

25 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

26 naco nanokompozit založený na bázi Ti. nc-altin / a-si 3 N 4 Největší novinka roku 2006 v oblasti průmyslové aplikace tenkých vrstev na řezných nástrojích je AlCrN / SiNx + CBC (PLC) 26 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

27 Kluzné vrstvy 27 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

28 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. 28 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

29 V minulosti byla hlavní pozornost věnována ekonomice obrábění 29 Hodnoty trvanlivosti T při limitním opotřebení VB=0,3 mm Ra SK (v=38,52,63,80 m/min) TiN (v=54,64,72,80 m/min) TiN-TiP (v=50,60,70,80 m/min) TiAlN-AlP (v=48,57,68,77 m/min) TiAlSiN-alfa (v=52,62,73,80 m/min) TiAlSiN-beta (v=57,67,75,87 m/min) Trvanlivost T (min) Řezná rychlost v (m/min) Ekonomická stránka je samozřejmostí, hlavní trend vývoje bude sledovat kvalitu, ekologický dopad a snadnou obnovitelnost nástrojů.

30 30 Trend vývoje požadavek na moderní nástroje s progresivními vrstvami: - 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) - Reprodukovatelnost výsledků alespoň z 80% - Odstranění starých vrstev z nástrojů SK bez nutnosti následného přeostření

31 Vyplatí se depozice řezných nástrojů? 31 Ceny dle katalogu 60 Odvrtaná délka; Lf [m] Bez PVD Povlakovaný nástroj přeostřeno Přeostřeno+přepovlakováno Bez vrstvy TiN TiAlN ,- Kč /1m odvrtané délky Bez vrstvy 78,- Kč /1m odvrtané délky Depozice TiN Přeostřeno 27 Přeostřeno a deponováno Mat: 38MnV35 - Rm=800 N/mm 2 - Emulsion 7% K40UF - d=12.6mm - ap=13,5mm - vc=78 m/min - f=0.25 mm/u Quelle: DC, Stuttgart, Gühring, Sigmaringen 51 45,- Kč /1m odvrtané délky 288,- Kč /1m odvrtané délky Depozice 10.8 Bez Multivrstva TiAlN vrstvy Přeostřeno 50 Přeostřeno a deponováno

32 České firmy zabývající se depozicí tenkých vrstev 32 38/39

33 Povrchová úprava nástrojů v aplikaci obrábění sendvičových težkoobrobitelných plastů 33 Nanokrystalická vrstva TiAlSiN

34 34 Gradientní vrstva TiAlN s kluznou vrstvou na povrchu Monovrstva vrstva TiAlN

35 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

36 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. 36 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.

37 Technologické zkoušky v laboratorních podmínkách 37 Způsob opotřebení zahrnuje faktory, které mnohdy zůstávají nepovšimnuty -např. chvění nástroje nevyvážeností, nedostatečnou tuhostí nástroje, obrobku.

38 Cíl laboratorních testů porozumět dějům při obrábění 38

39 Mikrotvrdost 39

40 Mikrotvrdost Laboratorně předupravené povrchy vzorků + vzorky s průmyslovým povrchem 40 HIT Hupl. E We Wr 1bez změny substrátu 34,2 42,7 3,52 6,4 3,0 8 -TiAlN+uhlík. vrstva (bez změny substrátu) 28,3 33,5 3,5 5,8 3, TiAlN+uhlík. vrstva (otryskání) 25,4 30,6 2,8 6,4 4, TiAlN (beze změny) 38,9 49,3 4,0 6,1 2, TiAlN(beze změny) 29,9 36,1 3,4 6,1 3,7 CSI TiAlSiN 30,3 37,5 3,1 6,6 3,1 DSI TiAlN+uhlík. vrstva 36,09 44,532 4,0 6,0 2,8 TSI - TiAlN 38,4 48,4 4,0 6,2 2,6

41 Energie elastické a plastické deformace 41 We/Wr [nj] 1bez změny substrátu 8 - TiAlN+uhlík. vrstva (bez změny substrátu) 11 - TiAlN+uhlík. vrstva (otryskání) 15 - TiAlN (beze změny) 22 - TiAlN(beze změny) CSI TiAlSiN (metal. leštěn) DSI TiAlN+uhlík. vrstva (met. leštěn) TSI - TiAlN (met. leštěn)

42 Scratch test vrypová zkouška 42 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

43 Testy s laboratorně upravenými povrchy 43 Vrstva TiAlSiN Tloušťka ~ 4,3 µm. Vrstva je celistvá, na několika místech nastalo rozmáznutí makročástic přejetím hrotu. Vrstva se neštěpí, má dobrou plasticitu. V oblasti vyšších zatížení nastává vrásnění vrstvy, které přechází v její štěpení, zejména podél hrany vrypu. Vzorek Vrstva má dobrou adhezi, ale to může být také ovlivněno její tloušťkou, která je v porovnání s ostatními cca dvojnásobná. TiAlSiN 16 ± 5 39 ± ± 1 62 ± 1 L c1 Kritické zatížen ení Lc [N] L c2 L c3 L s

44 Vrstva TiAlSiN L c2 (39N) a L c3 (58N). 44

45 45 Vrstva TiAlN + PLC Tloušťka ~ 1,8µm. Vrstva podléhající plastické deformaci má dobrou odezvu. Neštěpí se, na okrajích vrypu se vyskytují pouze jemné trhlinky kohezivního charakteru. Uvnitř stopy se vrstva jemně vrásní, ale nedochází k žádnému vytrhávání. První odhalení substrátu nastává společně s celkovým odhalením při zatížení ~ 52N. Vzorek Kritické zatížen ení Lc [N] L c1 L c2 L c3 L s TiAlN +PLC 38 ± 2 47 ± 1 52 ± 0 52 ± 0

46 Vrstva TiAlN + PLC L c2 (47N) a L c3 = Ls (52N) 46

47 47 Vrstva TiAlN Tloušťka ~ 2,3µm. Vrstva se porušuje uvnitř stopy vrypu rozmazává se. S rostoucím zatížením dochází k ovlivnění hran vrypu. Vzorek Kritické zatížen ení Lc [N] L c1 L c2 L c3 L s TiAlN 21 ± 2 46 ± 0 53 ± 0 57 ± 2

48 48 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

49 49 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

50 TRIBOLOGICKÝ TEST 50 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.

51 51 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

52 Vrstva TiAlSiN V průběhu tohoto testu cyklů, nenastalo totální odhalení substrátu, vrstva je porušena pouze do mezivrstvy. Koeficient tření je po době záběhu ustálený na hodnotě ~ 0,55. Ve srovnání s vrstvou TiAlN je hodnota koeficientu tření nižší a stabilnější. Ve srovnání s vrstvou TiAlN+PLC je koeficient tření vyšší. Vrstva má evidentně výborné adhezivní chování. Abrazivní opotřebení se projevuje rýhami na povrchu způsobené především částicemi samotné vrstvy. Vrstva TiAlN+DLC Tato vrstva díky kluzné vrstvě PLC na povrchu systému vykazuje nejenom nejnižší koeficient tření ~ 0,1, ale i jeho stabilní průběh v rámci celého testu. V průběhu testu cyklů - lokální porušení, nenastalo totální odstranění, což zajišťuje systému výborné kluzné vlastnosti. Vrstva TiAlN Změny v průběhu koeficientu tření jsou s největší pravděpodobností způsobeny přechody mezi jednotlivými částmi systému vrstvy. Na rozdíl od předchozích vrstev nastalo odhalení substrátu již po 7000 cyklech. 52

53 vrstva TiAlSiN cyklů 53 vrstva TiAlN + PLC cyklů vrstva TiAlN 7000 cyklů

54 Nejlepší kluzné vlastnosti a tím i nejnižší koeficient tření má vrstva TiAlN + PLC, kdy se jedná o výbornou kombinaci tenké otěruvzdorné vrstvy, která má na svém povrchu vrstvu kluznou (PLC). I když hodnoty kritických zatížení patří k nejnižším je nutné uvažovat, že z hlediska adhezivně kohezivního chování vyniká vrstva mechanismem opotřebování. Vrstva TiAlSiN vyniká dobrou otěruvzdorností, avšak při vyhodnocování výsledků je třeba uvažovat její přibližně dvojnásobnou tloušťku v porovnání s ostatními vrstvami. Vrstva TiAlN vykazuje nestabilní průběh koeficientu tření a zároveň u ní jako u jediné během tribologického testu nastalo odhalení substrátu a to již po 7000 cyklech. 54

55 Scratch test vrypová zkouška Laboratorně předupravené povrchy vzorků + vzorky s průmyslovým povrchem 55 Vzorek Kritické zatížení Lc [N] L c1 [N] L c2 [N] L c3 [N] L s [N] TiAlSiN nanokompozitní vrstva ± 0 46 ± ± 6 72 ± 4 Omleto u výrobce vrstvy + TiAlSiN nanokompozitní vrstva 4 15 ± 4 32 ±9 69 ± 5 71 ± 4 Otrysk u dodavatele tryskacích strojů + TiAlSiN nanokompozitní vrstva 7 31 ± ± 9 69 ± 2 72 ± 1 Beze změny - TiAlN gradientní vrstva 8 26 ± 7 32 ± 6 55 ± 2 57 ± 1 Otrysk u dodavatele tryskacích strojů + TiAlN gradientní vrstva ± ± 5 51 ± 7 56 ± 0 Beze změny - TiAlN monovrstva ± 5 36 ± 1 57 ± 3 59 ± 2 Otrysk u dodavatele tryskacích strojů + TiAlN monovrstva ± 5 29 ± 8 59 ± 2 64 ± 1 Omleto u výrobce vrstev (konkurence) + TiAlN monovrstva ± 0 23 ± 0 57 ± 2 58 ± 1 Beze změny - AlTiN monovrstva ± 3 32 ± ± 1 59 ± 1 Metalograficky leštěn - TiAlSiN nanokompozitní vrstva CS1 16 ± 5 39 ± ± 1 62 ± 1 Metalograficky leštěn TiAlN gradientní vrstva DS1 38 ± 2 47 ± 1 52 ± 0 52 ± 0 Metalograficky leštěn - TiAlN monovrstva TS1 21 ± 2 46 ± 0 53 ± 0 57 ± 2

56 Tribologická měření 56 Vzorky s průmyslovým povrchem Pořadí 2 - TiAlSiN nanokompozitní vrstva 5- Omleto u výrobce vrstvy + TiAlSiN nanokompozitní vrstva 9 - Beze změny - TiAlN gradientní vrstva 16 - Beze změny - TiAlN monovrstva 20 - Otrysk u dodavatele tryskacích strojů bez vrstvy 21 - Omleto u výrobce vrstvy bez vrstvy 29 - Beze změny - AlTiN monovrstva , 6 5, 6

57 Tribologická zkouška za rotace 57 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

58 58 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.

59 59 ZÁVĚR Na základě laboratorních testů a získaných korelačních srovnání s technologickými zkouškami byla navržena vrstva TiAlN s povrchovou kluznou vrstvou. Cílem této vrstvy bude především tlumit rázy, které se mohou iniciovat při chvění nástroje popř. obrobku. Rovněž bude v okamžiku krizových situací zabraňovat náhlé změně mikrogeometrie. Ta bude spočívat jednak ve větší otěruvzdornosti, která bude zajištěna nejen tvrdou vrstvou TiAlN, ale i měkkou kluznou vrstvou na povrchu.

60 Prezentaci upravené přednášky je možné stáhnout na internetové adrese: