Západočeská univerzita v Plzni. různých. povrchových modifikací. Univerzitní 22, Plzeň, ČR,

Transkript

1 Západočeská univerzita v Plzni Laboratorní a praktické testy u různých povrchových modifikací Jiří Hájek Univerzitní 22, Plzeň, ČR, hajek@kmm.zcu.cz

2 1.Úvod představení cílů Disertační práce 2.Hlavní faktory ovlivňující tribologické chování nástroje 3.Popis experimentálního materiálu 4.M ěření tribologických veličin 5.Srovnání tribologických experimentů s řezným procesem 6.Vliv drsnosti povrch u 7.Opot řebení brzdných kotoučů 8.Seznam koeficientů tření tvrdých otěruvzdorných vrstev 2

3 1. ÚVOD 3

4 Tribologie?! ztráty způsobené tribologickými procesy cca 100 miliard dolarů Pozornost věnovaná tribologii (zejména vzdělávání, výzkumu a průmyslovým aplikacím) ekonomické úspory 1.3 až 1.6 % HDP Prvním významným cílem této práce - historický přehled informující o vývoji problematiky tření, opotřebení v průběhu historie lidstva Tribologie ve 21. století: a) Modelování a simulace b) Tenké lubrikační filmy c) Zvýšení energetické účinnosti d) Nové modifikace povrchů e) Tzv. inteligentní systémy 1. Úvod 4

5 Cíle Disertační práce 1. Úvod - cíle Hlavním cílem Disertační práce je nalezení metody sledující tribologické vlastnosti, která by umožnila v laboratorních podmínkách určit výhody a nevýhody daného systému tenká vrstva substrát při obrábění Nutno provést řadu dílčích úkolů: 1. Porovnat výsledky měření metodou PIN-on-DISC na několika pracovištích 2. Zjištění základních parametrů, které ovlivňují tribologickou zkoušku "PIN-on-DISC" (výpočet Hertzových tlaků, tvrdosti tzv. "PIN" tělísek, atd.) 3. Sestrojení nového zařízení, které umožní nastavit rozhodující parametry tribologického procesu odpovídající praxi 5

6 Cíle Disertační práce 1. Úvod - cíle Na tyto tři cíle navazuje experimentální část zaměřená na sledování různě modifikovaných povrchů 4. Jakým způsobem ovlivní reliéf povrchu tribologické vlastnosti systému tenká vrstva - substrát 5. Zjištění tribologických vlastností různých materiálů brzdných kotoučů. Cílem bylo zjistit perspektivu žárových nástřiků v porovnání s klasickými litinovými kotouči 6. V závěru práce je uveden seznam průběhů koeficientů tření, téměř celé produkce tvrdých otěruvzdorných vrstev, v závislosti na materiálu protikusu 6

7 2. Hlavní faktory ovlivňující tribologické chování nástroje 7

8 Adhezívní opotřebení u řezných nástrojů: 2. Tribologické chování nástroje Nástroje v oblastech styku s obráběnou plochou a s třískou jsou značně tepelně (až 700 C) a mechanicky namáhány Charakteristický povrch čela řezných soustružnických destiček bývá tzv. výmol Tvar výmolu je funkcí použitých řezných podmínek, resp. směru odchodu třísky z místa řezu Některá opotřebení hřbetu břitu mohou být způsobena chvěním Adhezní kontakt mezi dvěma kovovými povrchy: Důvodem rozdílné adheze u jednotlivých kovů s podobnou tvrdostí je různá hodnota plastické deformace nerovností 8

9 2. Tribologické chování nástroje Adheze mezi kovy je mj. ovlivněna chemickou reaktivností nebo elekropozitivitou jednotlivých kovů Chemicky aktivní kovy, jako je např. hliník, mají silnější adhezi než vzácné kovy Obzvláště vysokou adhezi má plošně středěná krychlová mřížka s vysokým podílem chemické aktivity Nejvyšší adheze nastane mezi dvěma identickými kovy 9

10 Disertační práce Jiří Hájek 2. Tribologické chování nástroje ¾Drsný materiál nejprve vytvoří sérii smykových vazeb ¾Jakmile jakákoliv ze smykových vazeb dosáhne určitého limitu, dochází k počátečnímu odtržení, a to až do doby vytvoření nové smykové vazby ¾Trhlina se rozšiřuje napříč nerovností a posléze dochází k nové deformaci nerovnosti Tvorba nárůstku 10

11 2. Tribologické chování nástroje Transferový film Formování transferového filmu je charakteristickým rysem adhezivního opotřebení, kde materiál je přemístěn z jednoho povrchu na jiný 11

12 3. Popis experimentálního materiálu 12

13 3. Experimentální materiál Druh kontaktu Adheze Abraze Náraz Převládající podmínky v kontaku Kluzný pohyb Mírné opotřebení a) Vtlačování třetích částic. b) Rýhování jednoho tělesa po druhém. Intenzivní vlnové rázové namáhání. Abrazivní opotřebení. Požadované vlastnosti povrchu Nízká pevnost ve smyku u vrchní povrchové vrstvy. Dobrá schopnost snášet zatížení. a) Dobrá mikropevnost a schopnost snášet zatížení. b) Vysoká tvrdost k odolávání plastické deformace. Dobrá makropevnost Dobrá elasticita Doporuče né vrstvy DLC, MoS 2, Diamant TiN, TiAlN, TiC, Al 2 O 3, CrN Multivrstva Podle zvolených aplikací byly k experimentům vybrány tenké vrstvy TiAlN, TiN, CrAlN, DLC Tenké vrstvy byly deponovány na substráty ČSN , SK K20 Únava Souvislé napěťové vlny. Dobrá makropevnost. Dobrá schopnost snášet zatížení. MoS 2, Cu- Ni-In, Multivrstva Fretting Vysoko frekvenční pnutí. Neustálá přítomnost fragmentů opotřebení v kontaktu. Dobrá pružnost. Nízká pevnost ve smyku povrchové vrstvy. Nevytváří tvrdé úlomky vzniklé opotřebením. MoS 2, Multivrstva Chemické působení Vysoká teplota Nerozpustné Tepelně vodivé TiN, TiAlN, TiC,WC, CrAlN Smýkání s lubrikantem Vrstva, která tvoří nosnou vrstvu pro kluzné vrstvy a chová se jako záchranná vrstva. Interakce s lubrikačními aditivy. Textura k podpoře lubrikace. DLC, TiN, TiC, CrN 13

14 3. Experimentální materiál Sledované parametry Hloubkový koncentrační profil tenké vrstvy Tloušťka tenké vrstvy Mikrotvrdost tenké vrstvy Adhezivně - kohezviní chování Drsnost povrchu Parametry depozičního procesu 14

15 4. Měření tribologických veličin 15

16 4. Měření tribologických veličin Současná situace: Pozornost zaměřena především na tribologickou zkoušku PIN - on - DISC. Jedná se o nejrozšířenější zkoušku, která umožňuje zjistit nejvíce informací potřebných ke správné identifikaci systému tenká vrstva-substrát Provedené experimenty: Srovnání měření na různých pracovištích Sledování parametrů ovlivňujících tribologickou zkoušku 16

17 4. Měření tribologických veličin Srovnání měření na různých pracovištích 20 C KFY x NTC KFY NTC 0,45 0,40 0,35 Friction coefficient 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 Tr ack Měření probíhalo za pokojové teploty při relativní vlhkosti 50%. Vzorky byly čištěny acetonem 60s před testem. U obou zařízení byla zvolena stejná frekvence snímání. Ostatní parametry tribologického testu: L=10N, r=4,5mm, v=0,1cm/s, n=2000cyklů, PIN =ball Al 2 O 3 Rozdíly nejsou výrazné. Za předpokladu, že se dodrží důležité parametry tribologických testů lze navzájem porovnávat výsledky tribologických testů metodou PIN-on-DISC. Rozhodujícími podmínkami budou: vlhkost vzduchu, teplota vzduchu, čištění vzorku v totožnou dobu před testem, frekvence snímání, zátěžná síla, poloměr PIN tělíska, rychlost, počet cyklů, materiál PIN tělíska 17

18 4. Měření tribologických veličin Srovnání měření na různých pracovištích - vysoké teploty Měření probíhalo za zvýšených teplot 450 C. Vzorky byly čištěny acetonem 60s před testem. U obou zařízení byla zvolena stejná frekvence snímání. Ostatní parametry tribologického testu: L=2N, r=4mm, v=0,1cm/s, n=3500cyklů, PIN =ball Si 3 N 4 Při vzájemném srovnání nebyl zaznamenán výrazný rozdíl v průběhu koeficientu tření. Z tohoto důvodu je velmi důležité uvádět podrobný popis režimu ohřívání (závislost časteplota)! 18

19 4. Měření tribologických veličin Sledování parametrů ovlivňujících tribologickou zkoušku Před samotným experimentem je nutné si uvědomit jaké jsou podmínky při vzájemném kontaktu. Základními dvěma parametry jsou tlak a jeho rozložení při kontaktu mezi kuličkou a vzorkem ve tvaru disku Aby bylo možné zjistit rozložení tlaku, je nutné znát hodnoty Youngova modulu E pro kuličku i tenkou vrstvu Jelikož se často používá různých typů kuliček, byly vybrány tři základní a nejpoužívanější (ČSN , Al 2 O 3, WC) Z řady tenkých vrstev byla vybrána TiAlN, jejíž hodnota E odpovídá průměru tenkých vrstev používaných v práci uvedených experimentech Materiál E [GPa] ČSN (17042) 210 Al 2 O 3 (Si 3 N 4 ) 350 WC 640 Tenká vrstva TiAlN 350 Materiál "PIN" tělíska H IT [GPa] 31 Al 2 O 3 Si 3 N 4 28 WC 33 ČSN

20 4. Měření tribologických veličin Tlak [MPa] měřítko 1:10 Zatížení L=10N Al 2 O 3 WC Zatížení L=5N Al 2 O 3 WC Zatížení L=2N Al 2 O 3 WC Kontaktní plocha [mm]měřítko 1000:1 Zatížení [N] Kontaktní délka [μm] Materiál PIN (kulička d=6mm) ČSN Al 2 O 3 WC Hertzův tlak [MPa] Kontaktní délka [μm] Hertzův tlak [MPa] Kontaktní délka [μm] Hertzův tlak [MPa] 10 0, , , , , , , , ,

21 4. Měření tribologických veličin Kromě tlaku ovlivní PIN tělísko (kulička) i chování během tribologického experimentu Z důvodu vyšší odolnosti proti opotřebení tenkých vrstev se zaměřuje většina výrobců na zvyšování tvrdosti. Dnes se hodnoty se pohybují mezi 30-50GPa Tvrdost kuliček používaných pro tribologická měření z keramického materiálu Si 3 N 4 se pohybuje mezi 22 35GPa Z toho vyplývají problémy, které při testování vznikají Dochází k jejich velmi rychlému opotřebení Vhodnější je využití kuliček WC event. Si 3 N 4 Sledovat mez pevnosti ve smyku!!! 21

22 4. Měření tribologických veličin Faktory ovlivňující opotřebení PIN tělíska Si 3 N 4 - teplota Charakter opotřebení se liší v závislosti na zvolené teplotě Přítomnost hliníku v tenké vrstvě ovlivňuje ulpívání částic tenké vrstvy na přední hraně tělíska Nejnižší opotřebení bylo zaznamenáno při teplotách vzorku 500 C V nejvyšší míře docházelo k ulpívání tenké vrstvy na hraně PIN tělíska při teplotě 700 C Působením vysoké teploty docházelo k oxidaci částic tenké vrstvy na povrchu PIN(u) a k vytvoření TiO 2 Tato závislost i charakter opotřebení byla obdobná pro všechny vrstvy obsahující hliník (TiAlN, AlTiN a TiAlSiN) 22

23 4. Měření tribologických veličin PIN tělísko Si 3 N 4, tenká vrstva TiAlN, L=2N, Teplota= 500 C Opotřebení PIN tělíska Si 3 N 4, tenká vrstva TiAlN, L=2N, Teplota= 20 C Opotřebení PIN tělíska Si 3 N 4, tenká vrstva AlTiN, L=2N, Teplota= 700 C Opotřebení PIN tělíska Si 3 N 4, tenká vrstva TiAlN, L=2N, Teplota= 700 C 23

24 4. Měření tribologických veličin Ulpíváním částic tenké vrstvy na přední hraně kuličky dochází k nadzdvihnutí přitlačovaného tělíska silou L=2N, čímž vzniká nepravidelná plocha opotřebení elipsa Při použití zátěžné síly 10N je nadzdvihnutí minimální, následkem čehož má opotřebení kuličky pravidelný kruhový tvar. Tento faktor významně ovlivní koeficient opotřebení W Faktorem, který výrazně snižuje vypovídací hodnotu koeficientu tření, je rovněž ulpívání materiálu kuličky ve stopě (transferový film) Při nejvyšším možném zatížení, naopak nejtenčí je při zatížení nejnižším (v tomto případě 10N a 2N) 24

25 5. Srovnání tribologických experimentů s řezným procesem 25

26 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Jakým způsobem vybrat vhodný typ tenké vrstvy? Řada experimentů je standardizovaných Ve většině případů se jedná o tzv. vědecká zařízení Výsledkem toho je obrovské množství nekonzistentních a v praxi nepoužitelných dat Z hlediska aplikací je nutné přistupovat k experimentům poněkud odlišně Velmi důležité je zkonstruovat zařízení, umožňující měření, po kterých je poptávka v komerční praxi Hlavním úkolem experimentu bylo navrhnout takové zařízení, které umožní sledovat testovaný materiál za podmínek odpovídajících praktickému využití 26

27 Opotřebení je běžným důsledkem funkce všech strojních součástí, které jsou ve vzájemném kontaktu a relativním pohybu Při obrábění dochází k opotřebení nástroje 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Jakým způsobem vybrat vhodný typ tenké vrstvy pro obrábění? Protože podmínky práce řezného nástroje se zásadně liší od podmínek práce běžných strojních součástí, je třeba i k procesu opotřebení nástroje přistupovat odlišným způsobem 27

28 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Jakým způsobem vybrat vhodný typ tenké vrstvy pro obrábění? PIN-on-DISC velmi důležitá analýza z hlediska správného využití příslušného typu systému tenká - vrstva substrát CO JE MOŽNÉ ANALÝZOU PIN-ON-DISC ZJISTIT? Určení kinetického, event. statického koeficientu tření v laboratorních podmínkách 28

29 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Celková konstrukce přístroje: 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 F n ) 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 29

30 5. Tribologický experim. vs. řezný proces 30

31 Celková konstrukce přístroje: 5. Tribologický experim. vs. řezný proces ZKONSTRUOVANÉ ZAŘÍZENÍ: Maximální zatížení 150 N Maximální rychlost 1500 ot./min Maximální průměr měřených vzorků 300mm Nerovnost sklíčidla 0,01mm Snímání třecí síly: snímače polohy, max. výchylka ± 1mm Software umožňuje připojení snímače sledujícího okamžité zatížení Měření opotřebení pomocí konfokálního mikroskopu Laserový ohřev 31

32 Celková konstrukce přístroje: V případech kdy je koeficient tření extrémně nízký (0,01) vzrůstá důležitost absolutní roviny ramene a testovaného vzorku. Již při odchylce 1 může dojít k velmi výrazné chybě Důležité je v těchto případech i vyvážení ramene 5. Tribologický experim. vs. řezný proces 32

33 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Celková konstrukce přístroje: Detail tribolologického testu při konfiguraci přibližující obrábění 33

34 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Pro výpočet některých veličin charakterizujících odolnost vrstvy vůči opotřebení, jako je např. koeficient opotřebení, je nutné znát hloubku a reálný reliéf stopy opotřebení Nejčastěji se hloubka stopy určuje pomocí dotykového profiloměru. Profily se měří v několika místech stopy Snadno může dojít ke zkreslení výsledků 0,81μm Záznam z profiloměru nekoresponduje se skutečným opotřebením Patrné odhalení substrátu, tloušťka tenké vrstvy 4μm Z těchto důvodů bylo potřeba vybrat metodu jinou než-li konvenční dotykový profilometr 34

35 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Výpočet opotřebení Důležité je správné nastavení tzv. zlomku měřené délky Čím kratší bude zlomek délky, tím se bude celková měřící délka prodlužovat a blížit se ke skutečnému profilu 35

36 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Exp. metoda Váhy Dotyková profilometrie Laser scanning profilometry Optická profilometrie On-line měření vzdálenosti mezi ramenem a vzorkem Výhody Levné a jednoduché Jednoduché, relativně rychlé Velmi přesné a relativně rychlé Jednoduché, rychlé Umožňuje souvisle zaznamenávat změny Nevýhody Data jsou ovlivněna transferovým materiálem Dostáváme informace pouze z jednotlivých úseček, malá přesnost Nákladné Nelze pro složité tvary Změna nemusí vždy odpovídat změně opotřebení Vybráno bylo měření opotřebení pomocí laserového konfokálního mikroskopu 36

37 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Výpočet opotřebení Pro konfokální mikroskopii to znamená především nastavení co nejvyššího počtu kroků vosez Např. pro drsnost povrchu Rt = 20μm bude nutné rozdělit osu z na min úseků aby bylo možné docílit přesnosti max. 0,02 μm Krátký zlomek délky Reálný povrch Dlouhý zlomek délky Významnou výhodou této metody je možnost měřit plochu což bylo hlavním důvodem zvolení této metody snímání reliéfu povrchu v našem případě 37

38 Experiment 38

39 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Testovaný systém Obráběný materiál AlSi1Mg0,5Mn Cílem simulace je charakteristika tribologického chování a mechanismu opotřebení během soustružení Experiment byl prováděn s pomocí modifikovaného PIN-on-DISC testu Princip tohoto testu spočívá ve změně PIN tělíska Kulička je nahrazena válečkem, který má speciální tvar a je umístěn pod definovaným úhlem Na rozdíl od kuličky přebírá tento váleček roli nástroje Váleček je stacionárně uchycen a disk se otáčí obdoba soustružení 39

40 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Analyzované vrstvy aplikované na řezné nástroje pro obrábění hliníkových slitin Pracovní označení Specifikace vrstvy Speciální kluzná vrstva Uhlíková kluzná vrstva/adhezní vrstva Nanokompozitní vrstva zakončená kluznou vrstvou Celková tloušťka vrstvy [μm] 0,9 1,75 1,26 Tloušťka kluzné vrstvy [μm] 1,19 0,17 4 Monovrstva 2 0,9 C Substrát slinutý karbid K20 W Co Cr 40

41 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Vrstva č. 1 Vrstva č.2 Vrstva č.4 Vrstva č.3 1,00 0,90 0,80 0,70 Friction coef 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 r=3,5mm L=10N BALL = Si 3 N 4 v=8,25cm/s n=5 000cyklů TRACK [km] Pracovní označení Specifikace vrstvy Speciální kluzná vrstva Uhlíková kluzná vrstva/adhezní vrstva Nanokompozitní vrstva zakončená kluznou vrstvou Celková tloušťka vrstvy [μm] 0,9 1,75 1,26 Tloušťka kluzné vrstvy [μm] 1,19 0,17 4 Monovrstva 2 0,9 41

42 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Váleček bez tenké vrstvy (samotný slinutý karbid) V případě tohoto systému je patrná tvorba nejrozsáhlejšího nárůstku, podél celé řezné hrany Vytvořená tříska má drobný jehlicovitý tvar Řezná hrana (váleček) bez vrstvy Detail řezné hrany válečku bez vrstvy 42

43 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Váleček se speciální kluznou vrstvou ( č. 1 ) Tvorba nárůstku je jiného mechanismu než v předchozích dvou případech Nárůstek je mnohem tenčí, ale pokrývá větší plochu Vytvořená tříska má stejně jako v předchozím případě drobný jehlicovitý tvar Detail řezné hrany u systému s vrstvou č. 1 Detail nárůstku na povrchu válečku u systému s vrstvou č. 1 43

44 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Váleček se speciální kluznou vrstvou ( č. 1 ) Na obrobené ploše jsou rýhy po obrábění způsobené nárůstkem jen velmi nepatrné Detail rýhy na obrobené ploše u systému S vrstvou č. 1 Stav nástroje po 10 minutách obrábění 44

45 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Váleček s uhlíkovou kluznou vrstvou + adhezní vrstvou (č. 2) Během testování tohoto systému docházelo rovněž k tvorbě nárůstku Na rozdíl od ostatních případů ovšem nepokrýval samotnou řeznou hranu Jeho rozsah je však oproti ostatním systémům o 1/3 nižší Následkem zachování řezné hrany docházelo během experimentu k výraznému pěchování obráběného materiálu (hluboké zaříznutí hrany na krátké vzdálenosti) Detail řezné hrany Nárůstek pokrývající čelo nástroje Opotřebení řezné hrany na vzorku HVM 45

46 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Váleček s uhlíkovou kluznou vrstvou + adhezní vrstvou (č. 2) Na obrobeném povrchu se během celého experimentu nevytvářely nerovnosti způsobené nárůstkem Vytvořená tříska, která se při modelovém tomto testu vytváří má specifický charakter Specifický tvar třísky vznikající při testu systému s vrstvou č.2. Obrobený povrch hliníkové slitiny. Testovaný systém HVM Stav nástroje po 10 minutách obrábění 46

47 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Váleček s nanokompozitní vrstvou a kluznou vrstvou na povrchu ( č. 3 ) V případě tohoto systému je mechanismus tvorby nárůstku obdobný, jako v případě vzorku bez tenké vrstvy Ovšem v tomto případě je rozsah nárůstku nižší. Vytvořená tříska má stejně jako v předchozím případě drobný jehlicovitý tvar Detail nárůstku u systému s vrstvou č. 3 modelový test Stav nástroje po 10 minutách obrábění 47

48 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Váleček s nanokompozitní vrstvou a kluznou vrstvou na povrchu ( č. 3 ) Detail rýhy na obrobené ploše u systému s vrstvou č. 3 Detail řezné hrany u systému s vrstvou č. 3 Na obrobené ploše jsou patrné výrazné rýhy po obrábění způsobené pravděpodobně nárůstkem 48

49 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Diskuse výsledků Systém se speciální kluznou vrstvou ( č. 1 ) Vyznačuje se nízkým koeficientem tření (0,18), ale ne příliš vysokou odolností proti opotřebení Tento závěr podporuje příznivé chování při modelovém testu (netvoří se kompaktní nárůstek, zachování řezné hrany, obrobená plocha bez rýh) Systém s uhlíkovou kluznou vrstvou + adhezní (kotvící) vrstvou ( č. 2 ) Z hlediska tribologického chování jevil jako nejlepší (kombinace odolnosti proti opotřebení a nízkého koeficientu tření) Při modelovém testu měl systém určité specifické vlastnosti (dobrá řezivost, specifický tvar třísky, minimální tvorba nárůstku) 49

50 5. Tribologický experim. vs. řezný proces Diskuse výsledků Systém s vrstvou č.3 Má nejnižší odolnost proti opotřebení Velkou nevýhodou tohoto systému je nárůst koeficientu tření po odstranění velmi tenké kluzné vrstvy - 0,31μm Další nevýhodou této vrstvy je poměrně snadná tvorba nárůstku Nárůstek vytvořený na nástroji, pak samozřejmě ovlivní simulovanou obráběnou plochu Systém s vrstvou č. 4 Má nejvyšší odolnost proti opotřebení, ovšem nevýhodou je vyšší koeficient tření (0,55) Samotný slinutý karbid K20 Při modelovém testu byl použit jako etalonový materiál 50

51 6. Vliv drsnosti povrchu 6. Vliv drsnosti povrchu 51

52 6. Vliv drsnosti povrchu Úprava povrchového reliéfu Z hlediska sledování tribologického chování je velmi důležitý stav povrchu CÍL EXPERIMENTU: Cílem prováděného experimentu bylo zjištění vlivu různě připravených povrchů na tribologické vlastnosti různých typů systémů tenká vrstva substrát 52

53 Parametry drsnosti povrchu 6. Vliv drsnosti povrchu Povrch vzorku Bez vrstvy Broušeno Bez vrstvy Omleto Bez vrstvy Omleto Bez vrstvy Leštěno TiAlSiN Broušeno TiAlSiN Omleto TiAlSiN Leštěno Ra 0,180 0,230 0,175 0,083 0,149 0,127 0,043 Rpk 0,731 0,668 0,444 0,035 0,499 0,479 0,121 Wt 0,301 0,228 0,218 0,031 0,311 0,029 0,071 Z tabulky vyplývá, že po broušení bylo dosaženo hodnot drsnosti povrchu cca Ra 0,18, po leštění cca 0,03. Omleté povrchy vykazují poměrně vysoký rozptyl hodnot. Omletí se projevuje více vpřípadě hodnot Rpk CrAlSiN Broušeno 0,158 0,629 0,235 CrAlSiN Omleto 0,200 0,704 0,288 CrAlSiN Leštěno 0,020 0,071 0,063 TiN Broušeno 0,175 0,682 0,278 TiN Omleto 0,154 0,597 0,225 TiN Leštěno 0,017 0,057 0,045 53

54 Úprava drsnosti povrchu 6. Vliv drsnosti povrchu 54

55 Tribologická měření 6. Vliv drsnosti povrchu 55

56 6. Vliv drsnosti povrchu substrát broušeno substrát leštěno substrát omletob substrát omleto A TiN broušeno Statistický koeficient tření TiN leštěno TiN omleto TiAlSiN broušeno TiAlSiN leštěno Disertační práce Jiří Hájek Tribologická měření 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 průměr koeficientu tření 0,05 0 TiAlSiN omleto CrAlSiN broušeno CrAlSiN leštěno CrAlSiN omleto 56

57 Diskuse výsledků 6. Vliv drsnosti povrchu Nejnižší hodnota μ vpřípadě omletí vzorku Toto pravidlo platilo i v porovnání s leštěnými vzorky Koeficient tření se zvyšuje z důvodu vysoké adheze, resp. vytváření tzv. mikrospojů (mikrosvary) Vhodnou úpravou povrchu lze snížit koeficient tření až o 0,07 Vliv reliéfu je u těchto typů vrstev mnohem vyšší než vliv samotné vrstvy!! V tzv. tribologických aplikacích (rozhodující je nízký koeficient tření) bude uplatnění těchto typů tenkých vrstev minimální. Jejich hlavní výhodou je vysoká tvrdost povrchu spojená s velmi dobrými adhezivně-kohezivními vlastnostmi Toho lze využít tam, kde je povrch vystaven především výraznému abrazivnímu opotřebení Mimořádně vysoký koeficient tření byl zaznamenán u leštěného vzorku bez tenké vrstvy, zde byla naměřena rovněž extrémně nízká drsnost. V tomto případě budou hrát roli především adhezní síly (dochází k nárůstu koeficientu tření) 57

58 7. Opotřebení brzdných kotoučů 58

59 7. Opotřebení brzdných kotoučů Žárové nástřiky na brzdové kotouče vs. konvenční litinové Předmětem této části je srovnání frikčních vlastností konvenčního litinového kotouče a kotouče, který byl opatřen žárovým nástřikem Žárový nástřik byl tvořen dvěma vrstvami. Povrchová vrstva byla tvořena tvrdými karbidy Cr 3 C 2 usazenými v pojící matrici NiCr 59

60 7. Opotřebení brzdných kotoučů Tribologická analýza Na základě dřívějších znalostí a experimentů byly zvoleny tyto parametry: r=3mm v=10cm/s L=10N n=25000 PIN tělísko (ball) Al 2 O 3 Opotřebení Koeficient tření Hloubka stopy [μm] Šířka stopy track [mm] Koeficient opotřebení W [mm 3 /Nm] Opotřebení kuličky (plocha) [μm] Šedá litina 0,52 - pokles až k 0, , Mezivrstva povlaku 0,66 po cca cyklech 0, , Povrchová vrstva povlaku Téměř konstantních 0,45 2, ,

61 Diskuse výsledků 7. Opotřebení brzdných kotoučů Z dosažených výsledků vyplývá, že povrch kotouče s žárovým nástřikem má oproti standardnímu litinovému kotouči nižší koeficient tření Kotouč s žárovým nástřikem má podstatně vyšší odolnost proti opotřebení ve srovnání se standardním litinovým kotoučem Docházelo k lokálnímu vytrhávání celých oblastí karbidických fází a opětovnému adheznímu přilnutí opotřebovaného materiálu U standardního litinového kotouče se výrazně projevoval vliv grafitických lupínků, po jejichž vytržení došlo k výraznému poklesu koeficientu tření Tím není krátkodobý pokles koeficientu tření rozhodující a rovněž se v tomto okamžiku odvádí opotřebovaný materiál obsahující grafit Z dosažených výsledků rovněž vyplývá, že v okamžiku poškození vrchní vrstvy až do oblasti mezivrstvy nenastane nežádoucí pokles koeficientu tření. Vzroste pouze rychlost opotřebení, navíc iniciována větší plastickou deformací, která opět způsobí nárůst koeficientu tření 61

62 8. Seznam koeficientů tření tvrdých otěruvzdorných vrstev 62

63 8. Seznam koeficientů tření Souhrn všech naměřených experimetů Například je uveden unikátní koeficient tření mezi systémy tenká vrstva substrát a polypropylenovým protikusem zjištěný metodou PIN-on-DISC Vrstva TiN TiN 1,0 TiNxAl2O3 TiNxWC TiNxSi3N4 TiNx14109 Koef. tření 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, počet cyklů 63

64 8. Seznam koeficientů tření Vrstva TiAlSiN 0,9 TiAlSiN Al2O3 Si3N ,8 0,7 0,6 Koef. tření 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Počet cyklů 64

65 8. Seznam koeficientů tření Vrstva CrAlSiN 0,9 CrAlSiN Al2O3 Si3N Al2O3 II 0,8 0,7 0,6 Koef. tření 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Počet cyklů 65

66 8. Seznam koeficientů tření Vrstva DLC + TiAlN 0,30 DLCxWc DLCx17042 DLCxSi3N4 0,25 0,20 Koef. tření 0,15 0,10 0,05 0, Počet cyklů 66

67 8. Seznam koeficientů tření Koeficient tření při kontaktu s polypropylenem Oproti testům s keramickým či ocelovým protikusem je rozdíl mezi tzv. kluznou vrstvou TiAlN+DLC a ostatními vrstvami minimální. Nevýhodou těchto testů je výrazné opotřebení polypropylenu. Z těchto důvodu je délka testu velmi omezena 67

68 ZÁVĚRY 68

69 Závěry Prováděné experimenty je nutné rozdělit na dvě části A) tzv. průmyslové testování B) tzv. vědecké experimenty V prvním případě je důležité odhalit hlavní faktor ovlivňující tribologické chování a podle něj dimenzovat samotný experiment Ve druhém případě je velmi důležité dodržet standardní normované podmínky testování, nebo nastavit takové podmínky, které jsou považovány za konvenční Hlavními výstupy disertační práce jsou Nově zkonstruovaný přístroj umožňující nastavit takové parametry, které odpovídají reálným podmínkám. Jedná se především o zatížení a rychlost. Toto zařízení rovněž umožní přesněji snímat koeficient tření Byla navržena nová konfigurace tribologického experimentu PIN-on-DISC. Tato simulace umožní věrněji zachytit charakteristiku tribologického chování a mechanismus opotřebení zejména při obrábění, což do budoucna umožní zvolit vhodné tenké vrstvy na nástroje pro obrábění různých materiálů Byl jednoznačně prokázán významný vliv reliéfu povrchu. Ten může ovlivnit vněkterých případech tribologické chování více než typ tenké vrstvy 69

70 Závěry Z hlediska použití žárových nástřiků aplikovaných na brzdové kotouče se při tribologickém testu projevila jejich vysoká odolnost proti opotřebení, což je jeden z hlavních faktorů, které jsou požadovány při návrhu brzdného kotouče Velmi důležité je zjištění rozdílu naměřených tribologických parametrů v jednotlivých laboratořích. Rozdíly v hodnotách koeficientu tření nejsou u zjišťovaných zařízení výrazné. Za předpokladu, že se dodrží důležité parametry tribologických testů lze navzájem porovnávat výsledky tribologických testů metodou PIN-on-DISC Byl popsán vliv použitého PIN tělíska, který je mnohdy zanedbáván. (Markantní rozdíl mezi tělískem WC a Al 2 O 3 ) K obrábění hliníkových slitin je ze současné produkce tenkých vrstev nejvhodnějšítenkávrstvanabázi uhlíku, nicméně v této oblasti chybí tenká vrstva, která by stoprocentně zamezila tvorbě nárůstku 70

71 Děkuji za pozornost 71

72 Výpočet Hertzových tlaků Při řešení se obvykle nepřihlíží k účinkům tečné síly a za přibližné měřítko kontaktního namáhání se pokládá Hertzův tlak p Hmax, σ zmax jsou uprostřed styčné plochy 72

73 Nejvyšší hodnota tečného napětí se nachází pod povrchem ve vzdálenosti 0,67a Při kombinaci normálného a tečného zatížení dochází k posunutí maxima více k povrchu a to tím více čím více je zvyšováno tečné namáhání Koeficient tření má rozhodující vliv na rozložení napěťového pole pod povrchem, zvláště od hodnot koeficientu 0,3 a vyšších Pro nižší hodnoty koeficientu tření, je rozložení napěťového pole podobné průběhu napětí při prostém statickém vnikání indentoru. 73