JIŘÍ HÁJEK, ANTONÍN KŘÍŽ

Transkript

1 SLEDOVÁNÍ TRIBOLOGICKÝCH TENKÝCH VRSTEV JIŘÍ HÁJEK, ANTONÍN KŘÍŽ VLASTNOSTÍ

2 MOTIVACE EXPERIMENTU V SOUČASNÉ DOBĚ: PIN-on-DISC velmi důležitá analýza z hlediska správného využití příslušného typu systému tenká - vrstva substrát. CO JE MOŽNÉ ANALÝZOU PIN-ON-DISC ZJISTIT? 1) Určení kinetického, event. statického koeficientu tření v laboratorních podmínkách. 1/21

3 MOTIVACE EXPERIMENTU 2) V průběhu posledních let se velmi sleduje opotřebení tenkých vrstev. Zjištěnou hodnotu lze ovšem využít pouze pro srovnání v rámci jednoho experimentu. Pokud se jedná o opotřebení v řádech mikronů je tato hodnota prakticky nezměřitelná běžně používanými profilometry. CÍL EXPERIMENTU: navrhnout takový test, který umožní sledovat testovaný materiál za podmínek odpovídajících praktickému využití 2/21

4 MĚŘENÍ KOEFICIENTU TŘENÍ Základ tribologických měření PROBLÉMY: 1) Třecí síla se mění neustále, takže jakákoliv představa o zjištění přesného koeficientu tření se pouze blíží realitě. 2) Kalkulace frikčního koeficientu jsou založeny ve většině případů na tzv. nominální síle Fn. TÉMĚŘ U VŠECH MĚŘENÍ (např.: tribometr CSM cena zařízení cca 1,5 mil. Kč.) Koeficient tření odvozen z poměru Ft (měřené) a Fn (závaží, které je zavěšené např. na rameni, čímž je vyvozena normálová síla). 3/21

5 MĚŘENÍ KOEFICIENTU TŘENÍ Drsný povrch = kolísání zatížení nepřesný koeficient tření Vliv drsnosti na rozptyl koeficientu tření 0,1 0,09 Odchylka od průměrné hodnoty 0,09 0,08 0,08 0,07 0,07 0,06 0,06 0,05 0,05 0,04 0,04 0,03 0,03 0,02 0,02 0,01 0,01 0 Ra=6,23 Ra=4,53 Drsnost 4/21

6 MĚŘENÍ KOEFICIENTU TŘENÍ Prudké změny v třecí síle mohou být způsobeny změnami reálné kontaktní síly Fn Změny v třecí síle? 1,0 1,0 0,9 0,9 Koeficient tření 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0,0 0,00 0,00 0,00 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,03 0,03 0,03 Dráha 5/21

7 MĚŘENÍ KOEFICIENTU TŘENÍ Kontaktní síla Reálný vztah mezi kontaktní silou a silou frikční Frikční síla (koreluje s kontaktní silou) Rozdíl mezi měřením koeficientu tření založeném na poměru třecí síly a reálného zatížení a měřením vycházejícím z nominálního zatížení μ= okamžitá frikční síla/okamžité zatížení μ= okamžitá frikční síla/nominální zatížení Rozdíl mezi okamžitou a nominální zátěžnou silou při výpočtu μ 6/21

8 MĚŘENÍ KOEFICIENTU TŘENÍ Když μ = Ft(okamžitá)/Fn(okamžité) Poskytuje míru intenzity interakce nerovností, nebo smykových sil v určitém bodě a čase. Toto měření lze provést i v případě, že je Fn nominální ovšem zvolená rychlost a okolní chvění musí být nízké. 7/21

9 MĚŘENÍ KOEFICIENTU TŘENÍ 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 8/21

10 TECHNIKA SNÍMÁNÍ KOEFICIENTU TŘENÍ 1) Piezoelektrický snímač 2) Snímače napětí (prodloužení) 1) Tento typ snímání nám umožní snímání s frekvencí vyšší než 25kHz (lze měřit i výrazné okamžité změny při měření koef. tření). Frekvenční limit chvění jež je způsoben třením musí být menší než měřená frekvence krystalu. Běžně prováděnému testu při rychlosti 100 m/s a frekvenci snímání 25kHz, odpovídá 40 μm distance měření. 2) Tento typ měření je rozšířenější ovšem nelze zaznamenat prudkou změnu v koef. tření. V případě obvyklého snímače prodloužení je měřící frekvence 0,2 4,8 khz. Pokud se sleduje např. vliv drsnosti běžně připravovaných povrchů tak pro identifikaci jednotlivých nerovností je nutné použít testovací rychlost max.2 až 4 cm/s. Možnost sledování vliv drsnosti povrchu na koeficient tření i s pomocí běžných snímačů prodloužení je ukázáno na následujícím grafu (rychlost 1cm/s). 9/21

11 TECHNIKA SNÍMÁNÍ KOEFICIENTU TŘENÍ Kinetický k. tření při různé drsnosti 0,62 0,62 0,61 Koef. tření 0,61 0,60 0,60 0,59 0,59 0,58 0,58 Ra = 6,23 Ra = 4,53 Vliv drsnosti povrchu na kinetický koef. tření. V obou případech byly nastaveny shodné parametry včetně zvoleného materiálu. Vzorky se lišily pouze v drsnosti povrchu Z těchto důvodů byl zvolen snímač prodloužení, který umožňuje vychýlení ramene o 2mm (±1mm). 10/21

12 MĚŘENÍ OPOTŘEBENÍ 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 11/21

13 MĚŘENÍ OPOTŘEBENÍ Exp. metoda Výhody Váhy Levné a jednoduché Nevýhody Data jsou ovlivněna transferovým materiálem Dotyková profilometrie Jednoduché, relativně rychlé Dostáváme informace pouze z jednotlivých úseček, malá přesnost Laser scanning profilometry Velmi přesné a relativně rychlé Nákladné Optická profilometrie Jednoduché, rychlé Nelze pro složité tvary On-line měření vzdálenosti mezi ramenem a vzorkem Umožňuje souvisle zaznamenávat změny Změna nemusí vždy odpovídat změně opotřebení Vybráno bylo měření opotřebení pomocí laserového konfokálního mikroskopu. 12/21

14 MĚŘENÍ 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. 13/21

15 MĚŘENÍ OPOTŘEBENÍ Pro konfokální mikroskopii to znamená především nastavení co nejvyššího počtu kroků v ose z. 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. 14/21

16 ROZHODUJÍCÍ POŽADAVKY NA KONSTRUKCI ZAŘÍZENÍ Opotřebení je běžným důsledkem funkce všech strojních součástí, které jsou ve vzájemném kontaktu a relativním pohybu. Při obrábění dochází k opotřebení nástroje. Protože podmínky práce řezného nástroje se zásadně liší od podmínek práce běžných strojních součástí, je třeba i k procesu opotřebení nástroje přistupovat odlišným způsobem. 15/21

17 ROZHODUJÍCÍ POŽADAVKY NA KONSTRUKCI ZAŘÍZENÍ Odlišným způsobem bude potřeba přistupovat i k tribologickým měřením týkajících se systému tenká vrstva substrát v řezném procesu. Hlavní požadavky na navrhovanou konstrukci zařízení. 1.) Měrný tlak namísto běžné konfigurace bude potřeba zvýšit desetinásobně zatížení. To znamená vyšší nároky na pohon 2.) Teplota na funkčním povrchu Tato teplota se zvýší kombinací vysokého měrného tlaku a vysoké rychlosti. Navíc bude povrch ohříván pomocí laseru 3.)Rychlost ohřevu běžně dostupná zařízení určená k tribologickým měření neumožňují vysokou rychlost ohřevu. Toto bude zajištěno vyšším zatížením a vyššími rychlostmi 16/21

18 ŘEŠENÍ Snímání koeficientu tření: zvoleno sledování koeficientu tření pomocí snímačů prodloužení, které umožní snímat odchylku ramene max. 2mm s max. 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 s přesností 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. 17/21

19 ŘEŠENÍ Celková konstrukce přístroje: 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. 18/21

20 ŘEŠENÍ Celková konstrukce přístroje: Detail tribolologického testu při konfiguraci přibližující obrábění 19/21

21 ŘEŠENÍ doprovodná měření Při tření a opotřebení materiálů je přítomna při tribologickém procesu řada dalších jevů. Nejdůležitějšími jsou: vibrace, hluk a teplo. Tyto veličiny je nutné sledovat při každé tribologické analýze, neboť podávají řadu doplňujících informací. 20/21

22 ŘEŠENÍ doprovodná měření 1) Přístroj na měření a analýzu zvuku Přístroj provádějící kmitočtovou analýzu ve slyšitelném kmitočtovém rozsahu v reálné čase. V našem případě Brüel & Kjaer 2238 Mediator 2) Bezdotykové měření teploty Bezkontaktní infrateploměr pro rychlé bezkontaktní měření teploty s laserovým zaměřováním a nastavitelnou emisitou. V našem případě OMEGA OS643E - LS 3) Měření dynamických dějů K měření dynamických jevů budou využity akcelorometrické snímače 21/21

23 DĚKUJI ZA POZORNOST Text tohoto příspěvku a prezentaci celé přednášky je možné stáhnout na internetové adrese: Tento příspěvek vznikl na základě řešení interního grantu na FST ZČU v PLZNI v roce 2006