Vrstvy a povlaky 2007

Transkript

1 Vrstvy a povlaky 2007 VLIV MECHANICKÝCH ÚPRAV SUBSTRÁTU TU NA ADHEZI TENKÝCH VRSTEV Martina Sosnová Antonín Kříž ZČU v Plzni

2 Úvod Povrchové inženýrství je relativně mladým vědním oborem. Fascinace člověka povrchem je stará jako lidstvo samo. Dnešní tenké vrstvy nacházejí široké uplatnění v různých praktických aplikacích, např. v mikroelektronice, elektronice, optice, strojírenství, automobilovém průmyslu a medicíně. Pro zjištění optimálních vlastností systémů s tenkými vrstvami je třeba v procesu jejich vývoje realizovat řadu zkoušek. Sledování - kvality a vlastností tenkých vrstev - vrypová zkouška Scratch test. Původně byla vrypová zkouška využívána jako prostředek ke zjišťování tvrdosti na principu Mohsovy stupnice tvrdosti minerálů. 1/ 26

3 CÍLE PRÁCE Úprava mikrogeometrie břitb itů před depozicí nástrojů Cíl experimentu zjištění vlivu modifikace povrchu substrátu na následnou adhezi tenké vrstvy. K jednotlivým analýzám bylo využito veškeré moderní dostupné techniky používané v oblasti analýz vlastností tenkých vrstev. 2/ 26

4 Hodnocení vlivu úpravy povrchu substrátu tu na adhezi tenké vrstvy Hrany řezného nástroje jsou po klasickém naostření brusnými kotouči otřepené a plné defektů. V případě depozice vrstvy na takový povrch by mohlo na místech defektů dojít při obrábění k porušení tenké vrstvy, která pak přestává plnit svůj účel. Různými technologiemi povrchových úprav lze dosáhnout eliminace vad, vzniklých broušením. Jedná se o úpravu mikrogeometrie břitů před depozicí nástrojů. Úprava probíhá ve speciálním brusném médiu, kde dochází k řízenému zaoblení ostrých nerovností na břitech. Technologie jsou celkově šetrné k nástroji. Přínosem úprav povrchu nástrojů je zajištění lepší adheze tenké vrstvy, zvýšení výkonnosti nástroje a následně tak zlepšení kvality obrobené plochy. 3/ 26

5 Substrát Substrát, na který je deponována tenká vrstva, ovlivňuje výrazně konečné vlastnosti daného systému. S ohledem na tloušťku vrstev se při běžném zatížení projevují vlastnosti substrátu. Experimentální materiál slinutý karbid K10 UF s velmi jemným karbidickým zrnem, který se používá na řezné nástroje. Zdůvodu optimalizace vlastností substrátu byl sledován vliv úpravy povrchu substrátu před depozicí na adhezi tenké vrstvy. Experiment zabývající se hodnocením vlivu úpravy povrchu substrátu na adhezi tenké vrstvy byl řešen v rámci MPO projektu FI-IM2/054 jehož řešitelem je firma Hofmeister s.r.o. V projektu MPO FI-M2/054 - ZČU v Plzni spoluřešitel. 4/ 26

6 Technologie povrchových úprav nástrojn strojů 1) Omílání proudem vzduchu, který unáší abrazivní částice přírodní oxidy (minerální abraziva) kovová abraziva např. broky jsou vhodné na objemnější nástroje struska syntetická abraziva (na bázi Al 2 O 3 asic) diamantový prášek 2) Kartáčování - ocelová nebo různá tvrdá polymerní vlákna impregnovaná abrazivem (NAF Nylon Abrasive Filament) 3) Finišování pomocí gumových disků nebo jiných elementů za přítomnosti abrazivního média (např. vápencové kaše) 5/ 26

7 Úprava mikrogeometrie břitb itů před depozicí nástrojů Substrát - Broušení Beze změny Omletí ve speciálním brusném médiu Otryskání Al 2 O 3 Metalografické leštění Struktura slinutého karbidu K10 UF 6/ 26

8 Otryskání Jedná se o speciální technologii AERO LAP, kdy proud vzduchu unáší mokré měkké elastické částice s abrazivem. Rozdíl mezi úpravou proudem tvrdých a měkkých částic. 7/ 26

9 Otryskání Substrát před otryskáním Substrát po otryskání 8/ 26

10 Omletí substrátu tu ve speciáln lním m brusném m médium Zařízení, ve kterém probíhá proces omletí Brusné médium 9/ 26

11 Omletí v brusném m médium Substrát před omletím v brusném médiu Substrát po omletí v brusném médiu 10 / 26

12 Omletí v brusném m médium Před omletím v brusném médiu Po omletí proudem elastických částic s abrazivem K největší změně břitu došlo otryskáním. Další sledované technologie omletí nevedly k výraznějším změnám. Mnohdy zůstaly defekty na povrchu břitu viditelné s malými změnami topografie. Změna se týkala především zaoblení břitu. 11 / 26

13 Tenké vrstvy Pro vlastní experimentální program byly zvoleny systémy sotěruvzdornými vrstvami a systém s kluznou vrstvou. Tyto vrstvy byly deponovány na speciálně upravený substrát, aby bylo možno ověřit vliv úpravy povrchu substrátu na následnou adhezi vrstev a souvislosti jednotlivých metod hodnocení adhezivně kohezivního chování systémů s tenkými vrstvami. Vrstvy byly deponovány metodou PVD nízkonapěťovým reaktivním odpařováním katody ve vakuu. Tloušťka vrstev ~ 2 µm 12 / 26

14 Tenké vrstvy Vrstva TiAlSiN - Nanokompozitní systém s vysokou tvrdostí a tepelnou i chemickou stabilitou. Je to univerzální vrstva s širokou škálou aplikací jak pro oblasti obrábění, tak i pro stříhání a lisování. Vrstva TiAlN + DLC - Kombinací substrátu s vysokou houževnatostí otěruvzdorné tenké vrstvy s kluznou vrstvou může vzniknout nástroj se špičkovým výkonem i za nestabilních podmínek a opakovaně přerušovaném řezu při obrábění. Vrstva TiAlN - Monovrstva. V současné době představuje ideální řešení pro vysokorychlostní obrábění. Zajímavou vlastností je vytváření povrchové vrstvy Al 2 O 3, která při řezu přispívá ke snížení tření, zvýšení difúzní odolnosti a zlepšení řezných vlastností. 13 / 26

15 Povrch vzorků TiAlSiN broušeno TiAlSiN omleto 14 / 26

16 Hodnocení vlivu úpravy povrchu substrátu tu na adhezi tenké vrstvy Hlavním cílem experimentu bylo postihnout vliv úprav povrchu substrátu na následnou adhezi tenké vrstvy. Na každém vzorku byly provedeny 3 vrypy (ve třech směrech pro eliminaci vlivu směru měření). Zatížení 0-80N s lineárně se zvyšující silou. Byly stanoveny hodnoty kritických zatížení a z nich byl vypočten aritmetický průměr. 15 / 26

17 Hodnocení vlivu úpravy povrchu substrátu tu na adhezi tenké vrstvy Hodnotícím kritériem dobré adheze tenké vrstvy je kritická síla větší než Lc = 50N. Jestliže systém tenká vrstva-substrát uspěje s tímto požadovaným výsledkem, pak je aplikován na řezných nástrojích pro průmysl. Všechny sledované vrstvy vykazují velmi dobré adhezívně-kohezivní vlastnosti, protože hodnota dosažených kritických zatížení L C3 a Ls přesahuje 50N. 16 / 26

18 Hodnocení vlivu úpravy povrchu substrátu tu na adhezi tenké vrstvy Vzorek Kritické zatížení Lc [N] L c1 [N] L c2 [N] L c3 [N] L s [N] Beze změny - TiAlSiN 17 ± 0 46 ± ± 6 72 ± 4 Omletí - TiAlSiN 15 ± 4 32 ±9 69 ± 5 71 ± 4 Otryskání - TiAlSiN 31 ± ± 9 69 ± 2 72 ± 1 Metalografické leštění - TiAlSiN Metalografické leštění - TiAlN + DLC 16 ± 5 39 ± ± 1 62 ± 1 38 ± 2 47 ± 1 52 ± 0 52 ± 0 Beze změny - TiAlN + DLC 26 ± 7 32 ± 6 55 ± 2 57 ± 1 Omletí - TiAlN +DLC 20 ± 4 36 ± ± 1 54 ± 2 Otryskání - TiAlN + DLC 28 ± ± 5 51 ± 7 56 ± 0 Beze změny - TiAlN 25 ± 5 36 ± 1 57 ± 3 59 ± 2 Otryskání - TiAlN 20 ± 5 29 ± 8 59 ± 2 64 ± 1 Omletí - TiAlN 15 ± 0 23 ± 0 57 ± 2 58 ± 1 Metalografické leštění - TiAlN 21 ± 2 46 ± 0 53 ± 0 57 ± 2 17 / 26

19 SCRATCH TEST TiAlSiN beze změny omletí otryskání metalografické leštění 50 Lc[N] Lc1 [N] Lc2 [N] Lc3 [N] Ls [N] Kritické zatížení Lc [N] 18 / 26

20 SCRATCH TEST TiAlN + DLC beze změny omletí otryskání metalografické leštění 50 Lc [N] Lc1 [N] Lc2 [N] Lc3 [N] Ls [N] Kritické zatížení Lc [N] 19 / 26

21 SCRATCH TEST TiAlN beze změny otryskání omletí metalografické leštění 50 Lc [N] Lc1 [N] Lc2 [N] Lc3 [N] Ls [N] Kritické zatížení Lc [N] 20 / 26

22 Hodnocení vlivu úpravy povrchu substrátu tu na adhezi tenké vrstvy Úprava povrchu substrátu metalografickým leštěním se významně projevila na kvalitě adhezivně kohezivního chování, poněvadž způsobila velký pokles v hodnotách kritického zatížení Lc o hodnotu ~ 10N. V oblasti vyšších zatížení nastalo vrásnění vrstvy, které přecházelo v její štěpení, zejména podél hrany vrypu. Ukázalo se, že jedním z nejpříznivějších vlivů modifikace povrchu substrátu z hlediska kritických zatížení na adhezivně kohezivní chování má otryskání. Otryskání a substráty beze změny měly podobný vliv na mechanismus opotřebení. Porušení vrstev bylo iniciováno nejen uvnitř stopy (vrásnění vrstvy), ale nastalo i ovlivnění hran vrypu, kde docházelo k vylamování částí tenké vrstvy, mnohdy až na substrát. 21 / 26

23 Hodnocení vlivu úpravy povrchu substrátu tu na adhezi tenké vrstvy Omletí ve speciálním brusném médiu, případně žádná povrchová modifikace substrátu kvalitu adhezívně kohezivního chování výrazně neovlivnily. Nejméně závažné porušení vyvolává omletí substrátů ve speciálním brusném mediu. K porušování docházelo pouze uvnitř stopy, vrstva se neštěpila ani nevylamovala. Celkově docházelo k porušování vrstev v nejmenší míře ze všech. Uváží-li se výše zmíněná hlediska, omletí substrátu ve speciálním brusném médiu je nejvhodnější předdepoziční úpravou substrátu K10UF. 22 / 26

24 Vrstva TiAlN + DLC Otryskání Patrné vylamování vrstvy DLC. Substrát - beze změny Porušení při kritickém zatížení L C2 ~ 36N Omletí ve speciáln lním m brusném m médium Porušení při zatížení ~ 28N Porušení při zatížení ~ 30N 23 / 26

25 Výsledky nástrojn strojů po obrábění plastového kompozitu Úprava povrchu I. II. III. Prům. Pořadí otryskání 1,58 1,92 1,84 1,78 2. omletí 1,84 1,50 1,84 1,72 1. očista 1,78 2,00 2,11 1, ,09 2,00 2,00 2,03 4. Praktické testy obrábění plastového kompozitu potvrzují omletí substrátu tu ve speciáln lním brusném m médiu m je nejvhodnější předdepoziční úprava substrátu tu K10UF. 24 / 26

26 ZÁVĚR Z provedených analýz a experimentů vyplynulo, že modifikace povrchu substrátu otryskáním má sice nejpříznivější vliv na adhezivně kohezivní vlastnosti systémů s tenkými vrstvami. Omletí substrátu ve speciálním brusném médiu a substráty beze změny mají stejný vliv, kvalitu adhezívně kohezivního chování výrazně neovlivnily. Metalografické vyleštění substrátu a tím i snížení drsnosti substrátu před depozicí mělo za následek výrazný pokles kritických zatížení Lc. To může být způsobeno tím, že se deponovaná tenká vrstva složitěji ukotvuje na povrch substrátu, který také má menší povrch + vliv pnutí vneseného metalografickou přípravou. Uváží-li se všechny hlediska (hodnoty kritických zatížení + mechanismus opotřebení) a praktické testy omletí substrátu tu ve speciáln lním brusném m médiu m je nejvhodnější předdepoziční úprava substrátu tu K10UF. 25 / 26

27 Poděkov kování Kolegům z katedry materiálu a strojírenské metalurgie (FST). Firmě Hofmeister s.r.o. Firmě Liss Platit a.s. Firmě HVM Plasma s.r.o. 26 / 26

28 DĚKUJI ZA POZORNOST ateam.zcu.cz