Na počátku byla. obyčejná zvědavost,

Na počátku byla obyčejná zvědavost, co se stane s nadeponovanou břitovou destičkou, když se nechá v peci při teplotě 800 C po dobu 40 min?

Tak vznikl impuls zabývat se teplotní odolností tenkých vrstev a jejich přínosem při obrábění tvrdých ocelí

1/48 Západočeská univerzita v Plzni Fakulta strojní Katedra KMM, KTO, KKS, KKE, NTC Interní grant Fakulty strojní, ZČU v Plzni pro rok 2007 Teplotní odolnost tenkých vrstev a jejich přínos v obrábění tvrdých ocelí Řešitel interního grantu: Antonín Kříž Členové řešitelského týmu: Akademičtí pracovníci Josef Formánek, Jan Matějka, Martina Sosnová, Miroslav Zetek, Jiří Martan, Radomír Čerstvý, Milan Vnouček, Jiří Hájek Studenti David Krivánka, Michal Rogl, Jiří Tesař, Petr Beneš, Petr Hrbáček, Aleš Srogončík, Tomáš Kepka, Michal Pacina, Kateřina Kutilová, Václava Dobšíčková, Martin Rezek, Jan Klepáček Akademičtí pracovníci - 8 Studenti - 12

Řešitelský tým: Antonín Kříž garant a koordinátor projektu Jiří Martan Měření teplotních vodivostí PVD vrstev Josef Formánek Měření vysokorychlostní kamerou, elektrotechnické záležitosti Jan Matějka Praktické frézovací obráběcí testy Martina Sosnová Realizace Scratch testu, Fretting testu na PVD vrstvách Miroslav Zetek - Praktické obráběcí testy soustružením Radek Čerstvý Měření mikrotvrdosti PVD vrstev Milan Vnouček GD-OES měření Jiří Hájek Tribologická měření Petr Hrbáček Měření na konfokálním mikroskopu David Krivánka Měření vibrací při praktických obráběcích testech Michal Rogl Metalografická měření Jiří Tesař - Praktické frézovací obráběcí testy, Praktické obráběcí testy soustružením Petr Beneš Impact test, metalografická měření Aleš Srogončík - Praktické frézovací obráběcí testy, Praktické obráběcí testy soustružením, měření tvrdosti Tomáš Kepka - Praktické frézovací obráběcí testy, Praktické obráběcí testy soustružením, měření tvrdosti Michal Pacina - Praktické frézovací obráběcí testy Kateřina Kutilová Příprava metalografických vzorků Václava Dobšíčková - Příprava metalografických vzorků Martin Rezek - Příprava metalografických vzorků 2/48

Cíl projektu praktické výsledky, propojení jednotlivých odborníků z různých kateder. Hlavním cílem projektu bylo sledování vlivu tepelného zatížení daného systému a iniciované změny nejen ve sledovaných vlastnostech, ale také v praktických aplikacích. Bylo využito těchto mezioborových zkušeností a ty budou dále rozvíjeny tak, aby je bylo možno využít při podávání a řešení dalších mezioborových projektů. Rozhodně jsme se nesnažili získat akademické poznatky spadající do základního výzkumu. Pedagogické cíle Do projektu bylo zapojeno velké množství studentů, kteří vykonávali různé činnosti od přípravných prací, metalografických výbrusů (4 studenti bakalářského studia) až po řešení diplomových prací (3 studenti magisterského studia). Velmi cenné je také zapojení 5 doktorandů, kteří již vykonávali v rámci svěřených měření řídící a odborné práce. 3/48

Jednotlivými spoluřešiteli, kteří byli aktivně zapojeni do řešení projektu, byly vypracovány závěrečné zprávy. Tyto zprávy podrobně popisují experimenty, výsledky i získané poznatky a souvislosti z následujících analýz. 1. zpráva Mikrotvrdost systémů tenká vrstva substrát (10str.); 2. zpráva - Charakteristika analyzovaných systémů, Scratch test, Fretting test (35str.); 3. zpráva - Vliv teplotní zátěže na tribologické vlastnosti systému tenká vrstva substrát (10str.); 4. zpráva Impact test (18str.); 5. zpráva Stav povrchu (6 str.); 6. zpráva Komplexní posouzení procesů odehrávající se při technologické zkoušce trvanlivosti břitu při soustružení a frézování (51 str.). Závěrečná zpráva pojednává nejen o dosažených cílech, ekonocmickém stavu a technickém řešení projektu, ale poskytuje na získané výsledky komplexní pohled a dává je do potřebných souvislostí. (30str.) 4/48

Měření vysokorychlostní kamerou při soustružení Příprava na měření před frézování Do měření bylo zapojeno velké množství studentů proces frézování 5/48

Sledované systémy tenká vrstva-substrát VRSTVA Tloušťka [µm] TiAlN (naco) 1,8 TiAlSiN 3,2 TiN 0,9 Substrát slinutý karbid K20 6/48

Provedené analýzy Kalotest Mikrotvrdost Fretting test Scratch test Vliv teplotní zátěže na tribologické vlastnosti systému tenká vrstva - substrát Impact test Stav povrchu systémů a měření drsnosti Komplexní posouzení procesů odehrávající se při technologické zkoušce trvanlivosti břitu při soustružení a frézování -měření trvanlivosti - měření jakosti obrobené plochy tvrdost, drsnost -měření chvění nástroje -měření průběhu řezných sil - tvorba třísky sledování vysokorychlostní kamerou - metalografický rozbor získaných třísek - tepelné zatížení nástroje měření termokamerou - dotykovým termočlánkem - kalibrací vysokorychlostní kamery 7/48

Kalota - vrstva TiN Kalota - vrstva TiAlN (naco) Kalota - vrstva TiAlSiN 8/48

Nanoindentační měření S ohledem na tloušťku tenkých vrstev (nejtenčí vrstva TiN 0,9μm) byla odzkoušena metoda nanoindentačního měření, kdy bylo zvoleno zatížení 70mN (cca 7g). Hloubka dosažená indentorem byla 30nm. 9/48

12 Energie spotřebovaná na deformace Elastická energie [nj] Plastická energie [nj] 10 Indentační mikrotvrdost HIT [GPa] Energie [nj] 8 6 4 2 4,616 4,52 3,777 3,666 3,145 3,004 3,656 5,265 5,48 5,304 5,375 5,81 5,898 5,762 [GPa] 45 40 35 30 25 20 15 10 26,1 24,8 34,4 32,3 35,3 39,3 35,2 0 TiN (20 C) TiN (400 C) TiAlSiN (20 C) TiAlSiN (400 C) naco (20 C) naco (400 C) naco (800 C) 5 0 TiN (20 C) TiN (400 C) TiAlSiN (20 C) TiAlSiN (400 C) naco (20 C) naco (400 C) naco (800 C) 100 90 87,7 82,5 Podíl Wr/We 80 70 60 50 71,2 68,2 54,1 50,9 63,4 40 30 20 10 10/48 0 TiN (20 C) TiN (400 C) TiAlSiN (20 C) TiAlSiN (400 C) naco (20 C) naco (400 C) naco (800 C)

Vrstva TiN je nejměkčí, má ale velmi příznivý poměr plastické ku elastické složce deformace. Teplotním zatížením vrstva sice nepatrně dále měkne, ale i přesto lze očekávat, že dojde k nárůstu křehkosti. Podobně se chovala i vrstva TiAlSiN, která měla poměrně vysokou hodnotu tvrdosti. Křehkost této vrstvy vyšší něž vrstvy TiN. Zcela odlišné chování měla vrstva TiAlN (naco), u níž došlo následkem teplotní exploatace při 400 C k nárůstu mikrotvrdosti a křehkosti, ale zahřátí na 800 C způsobilo pokles mikrotvrdosti a podle podílu plastické ku elastické složce lze očekávat zvýšení houževnatosti. 11/48

Fretting test TiN 500 cyklů, zatížení 1N, PIN 14 109 test Materiál PIN tělíska Zatížení počet cyklů 1 ocel 14 109 1N 500 2 Si 3 N 4 2N 1000 3 Si 3 N 4 10N 1000 4 Si 3 N 4 10N 2500 Parametry Fretting testu 1000 cyklů, zatížení 2N, PIN Si 3 N 4 1000 cyklů, zatížení 10N, PIN Si 3 N 4 vrstva stav 1 stav 2 stav 3 TiN TiN 20 C TiN 400 C - 2500 cyklů, zatížení 10N, PIN Si 3 N 4 TiAlN naco 20 C naco 400 C naco 800 C TiAlSiN TiAlSiN 20 C TiAlSiN 400 C - Teplotní zatížení analyzovaných systémů 12/48

0,7 TiN TiN Průběh koeficientu tření 0,6 koeficient tření 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 TiN 1_1000 TiN 1_2500 TiN 3_1000 TiN3_2500 0,7 TiAlN TiAlN 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 počet cyklů TiAlSiN TiAlSiN koeficient tření 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ; TiAlN 1_1000 TiAlN 1_2500 TiAlN 3_1000 TiAlN 3_2500 TiAlN 4_1000 TiAlN 4_2500 0,7 0,1 koeficient tření 0,6 0,5 0,4 0,3 0 0 500 1000 1500 2000 2500 TiAlSiN 1 _1000 TiAlSiN 1 _2500 TiAlSiN 3 _1000 TiAlSiN 3 _2500 počet cyklů 0,2 0,1 0 0 500 1000 1500 2000 2500 počet cyklů 13/48

Porušení asociované silou: (a) LC1 (b) LC2 (c) LC3 Scratch test Parametry zkoušky při použití standardních podmínek měření 10 mm/min a 100 N/min., zatížení 0-80 N, indentor je diamantový Rockwellův kužel s vrcholovým úhlem 120 a s poloměrem zaoblení špičky hrotu 200 mm. Kritické zatížení [N] 90 80 70 60 50 40 30 Lc1 Lc2 Lc3 Ls Hodnoty sil popisující jednotlivá poškození u analyzovaných systémů 20 10 0 TiN 20 C TiN 400 C TiAlN 20 C TiAlN 400 C TiAlN 800 C TiAlSiN 20 C TiAlSiN 400 C V žádném sledovaném případě nenastalo při maximálním zatížení 80N souvislé poškození vrstvy až do oblasti substrátu. Jednotlivá poškození byla pouze lokálního charakteru. Ani v jednom případě se neprokázal výrazný vliv teplotní exploatace na výsledné vlastnosti. 14/48

Vliv teplotní zátěže na tribologické vlastnosti systému tenká vrstva substrát Tato měření byla provedena na tribometru v NTC u Doc. Ing. P. Šutty CSc. Parametry zjišťování koeficientu tření mezi tenkou vrstvou a ocelí 14109 L v Ball n r Parametry zjišťování odolnosti proti opotřebení mezi tenkou vrstvou a PIN tělískem Si 3 N 4 L v Ball n r 1N 2,5cm/s 14109 500 cyklů 5mm 10N 2,5cm/s Si 3 N 4 1000 event. 2500cyklů 2mm "PIN" tělísko ocel 14109 TiN20 TiAlSiN20 naco20 TiN400 naco400 naco800 TiAlSiN400 1,0 0,9 0,8 0,7 Friction 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 0,016 Souhrnné porovnání koeficientů tření jednotlivých systémů testovaných za stejných podmínek 15/48

Jedině u vrstvy TiN byl koeficient tření nižší v dodaném stavu, než byl zaznamenán na vzorku po teplotní exploataci. U ostatních vrstev došlo teplotní exploatací k povrchové změně, která zapříčinila snížení koeficientu tření. Tuto změnu nelze omezit pouze na povrch, kde se dozajista vytváří různé oxidické filmy, ale na větší hloubku. Tenký oxidický film se během velmi krátké doby kontaktního namáhání odstranil, přesto koeficient tření nevzrůstal, naopak jako např. u vrstvy TiAlN poklesl (obě teplotní exploatace 400; 800 C). 16/48

Souhrnné grafy dokumentující koeficienty opotřebení systémů tenká vrstvasubstrát při tribologické analýze Teplota 20 C Opotřebení 20 C TepelněOpotřebení exploatované po tep. zátěži vzorky 6,0E-06 3,0E-06 5,0E-06 2,5E-06 4,0E-06 2,0E-06 k. opotřebení 3,0E-06 Opotřebení 1,5E-06 2,0E-06 1,0E-06 1,0E-06 5,0E-07 0,0E+00 TiNr naco TiAlSiN 0,0E+00 TiN naco 400 TiAlSiN naco 800 Přestože byl u vrstvy TiN byl koeficient tření nižší v dodaném stavu, než byl zaznamenán na vzorku po teplotní exploataci, měla teplotně nezatížená vrstva větší opotřebení oproti exploatované vrstvě při 400 C, zbývající exploatované vrstvy (TiAlSiN; TiAlN) vykazovaly nárůst opotřebení. 17/48

Impact test Pro testování vrstev bylo zvoleno dvou zátěžných sil a to F= 2 N a F= 5 N (při dopadové výšce 10 mm odpovídá dopadové energii E= 0,044 J a E= 0,074 J) a počet úderů 1000; 25000; 5000; 10 000. 18/48

Impactové krátery Vrstva TiN 20 C, F= 10 N po: a) 1000, b) 2500, c) 5000 úderech Vrstva TiAlN, F= 10 N po: a) 1000, b) 2500, c) 5000 úderech 19/48

Pro všechny zkoumané vzorky byla charakteristická vysoká odolnost vůči rázovému únavovému opotřebení. Z hlediska okamžiku odhalení substrátu nejlépe odolávala z teplotně neovlivněných vzorků vzorek s vrstvou TiN. U zbývajících dvou teplotně neovlivněných vzorků s vrstvami TiAlN a TiAlSiN nelze jednoznačně určit, která z těchto vrstev měla lepší odolnost, neboť počet úderů nutných k odhalení substrátu byl u obou vzorcích prakticky totožný. Z experimentů dále vyplývá pozitivní vliv adhezních vrstev TiN, které byly přítomny u vzorků s vrstvami TiAlN a TiAlSiN. Tyto adhezní vrstvy se prokazatelně podílely na zvýšení odolnosti systémů tenká vrstva-substrát, tím že zlepšovaly adhezi vnější vrstvy k substrátu a tak zvyšovaly počet impactů nutných k celkovému porušení vrstvy. Zahřátím vzorků s vrstvou TiN na teplotu 400 C a TiAlN na teplotu 400 a 800 C došlo k prokazatelnému zvýšení odolnosti vůči nízkocyklovému (tj. do 5000 úderů) rázovému únavovému opotřebení. Největší zvýšení odolnosti vykazoval vzorek s vrstvou TiAlN zahřátý na teplotu 800 C. Toto zvýšení odolnosti je pravděpodobně zapříčiněno zvýšením drsnosti povrchu vzorku tvorbou oxidického filmu a oxidických produktů ze substrátu. Zvýšená drsnost účinně zamezovala rovnoměrnému kontaktu mezi vrstvou a zkušebním tělískem, což se projevilo snížením opotřebením. 20/48

Komplexní posouzení procesů odehrávající se při technologické zkoušce trvanlivosti břitu při soustružení a frézování měření trvanlivosti - měření jakosti obrobené plochy tvrdost, drsnost -měření chvění nástroje -měření průběhu řezných sil - tvorba třísky sledování vysokorychlostní kamerou - metalografický rozbor získaných třísek - tepelné zatížení nástroje měření termokamerou - dotykovým termočlánkem - kalibrací vysokorychlostní kamery Pracoviště CNC soustruhu s instalovanou měřicí aparaturou Pracoviště NC frézky s instalovanou měřicí aparaturou 21/48

Parametry obrábění nástroj - obrobek Typ použitých vyměnitelných břitových destiček Značení: SNHN 1204ENEN, H10 Geometrie: úhel čela a úhel hřbetu α = γ = 0 Řezný materiál: SK H10 Soustružení Řezná rychlost: vc = 85 m/min Posuv: f = 0,12 mm/ot. Hloubka řezu: ap = 0,5 mm Nástroj Soustružnický držák CSBNR 2525 L12 Obráběný materiál Nástrojová ocel 19 436.6 Tvrdost 56-58 HRC Frézování Řezná rychlost: vc = 85 m/min Posuv: f = 0,12 mm/ot. Šířka řezu: ae = 20 mm Hloubka řezu: ap = 0,5 mm Nástroj Nástrčná fréza 100B07R-W75SN12N RT926 osazena pouze jednou VBD, negativní geometrie 22/48

Tvar třísky a jejich teplota Vysokorychlostní kamera Olympus I-SPEED 2 23/48

Proces soustružení VBD s vrstvou TiAlN tepelně ovlivněná na 800 C Proces odehrávající se uprostřed sledovaných časů obrábění 24/48

Proces frézování VBD s vrstvou TiAlN tepelně ovlivněná na 800 C Závěr v procesu obrábění 25/48

Zjištění teplotních vlastností Pro zjištění těchto parametru byla rychlokamera nakalibrována pomocí barevné škály 26/48

Frézování Velikost řezných sil Systém TiAlN 400 C Velikost složek řezné síly F [N] 2500 2000 1500 1000 500 0-500 -1000-1500 -2000 Fx I Fy I Fz I Fx II Fy II Fz II -2500 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 Čas t [s] V tomto místě dochází k porušení VBD konec lineárního opotřebení => zde srovnáme systémy z hlediska trvanlivosti 27/48

Frézování Čas na konci lineární oblasti opotřebení Čas T [s] 400 350 300 250 200 150 100 50 0 TiAlN TiAlN 400 C TiAlN 800 C TiAlSiN TiN 28/48

Při prvním měření TiN Na konci trvanlivosti Frézování Při prvním měření TiAlSiN Na konci trvanlivosti 29/48

TiAlN 400 C Frézování Při prvním měření Na konci trvanlivosti Při prvním měření TiAlN 800 C Na konci trvanlivosti 30/48

Frézování Drsnost povrchu Drsnost Ra [µm] 3,5 3 2,5 2 1,5 po prvním řezu na konci životnosti 1 0,5 0 TiAlN TiAlN 400 C TiAlN 800 C TiAlSiN TiN 31/48

Frézování Dynamometry Kistler Průběh řezných sil VBD s TiAlSiN 200 C 100 C Teplotní průběh břitu TiAlSiN 32/48

Při frézování docházelo k náhlému poškození břitu následkem vyštípnutí. Tento nepředpokládaný konec způsobil problém s měřením opotřebení, neboť nebylo možné jeho poslední hodnotu změřit. Nejlépe se osvědčila vrstva TiAlSiN, která měla trvanlivost až 10 min, zatímco ostatní vrstvy měly pouze 7 min a pak nastalo výše popsané poškození břitu. To s sebou přinášelo také změnu tvaru třísky (viz následující tabulky) a průběh řezných sil. Nejnižší řezné síly byly zjištěny při obrábění s vrstvou TiAlSiN. Naopak největších řezných sil bylo dosaženo při obrábění s nástrojem s vrstvami TiAlN, ať již bez tepelné nebo s tepelnou exploatací. 33/48

Tvary třísek dle normy ISO Za hlavní faktor ovlivňující tvar třísek může být považována teplota, která se samozřejmě zvyšuje v průběhu zvyšujícího se času pracovního cyklu, a která má za následek zvýšení plasticity odebíraného materiálu. To se projeví změnou charakteru oddělování třísek. Třísky vzniklé při vyšší teplotě vykazují výrazně plynulejší charakter. 34/48

Charakter třísek soustružení Vrstvy TiN TiAlSiN TiAlN TiAlN - 400 C TiAlN - 800 C Náběr třísek ( 1 počátek prac. cyklu, 2 po 2. min., na konci ) 1 2 3 článkovitá tříska obloukovitá dělená dle ISO: 6.2. barva zlato-fialová plynulá tříska stužková smotaná dle ISO: 1.3. barva zlatá článkovitá tříska obloukovitá dělená dle ISO: 6.2. barva zlatá článkovitá tříska vlnitá šroubovitá krátká, dle ISO: 4.2. barva zlato-fialová článkovitá tříska vlnitá šroubovitá krátká, dle ISO: 4.2. barva zlato-fialová plynulá tříska stužková smotaná dle ISO: 1.3. barva zlato-fialová plynulá tříska vinutá smotaná dle ISO: 2.3. barva zlatá článkovitá tříska obloukovitá spojená dle ISO: 6.1. barva zlato-fialová článkovitá tříska vlnitá šroubovitá krátká, dle ISO: 4.2. barva fialová plynulá tříska vlnitá šroubovitá smotaná, dle ISO: 4.3. barva fialová plynulá tříska stužková smotaná dle ISO: 1.3. barva světle modrá plynulá tříska stužková smotaná dle ISO: 1.3. barva světle modrá plynulá tříska vlnitá šroubovitá smotaná, dle ISO: 4.3. barva zlato-fialová plynulá tříska vinutá smotaná dle ISO: 2.3. barva fialová plynulá tříska vlnitá šroubovitá smotaná, dle ISO: 4.3. barva tmavě fialová 35/48

TiN TiAlSiN TiAlN 20 C TiAlN 400 C TiAlN 800 C 36/48

Charakter třísek - frézování Vrstvy TiN TiAlSiN TiAlN TiAlN - 400 C TiAlN - 800 C Náběr třísek ( 1 počátek prac. cyklu.) 1 2 3 článkovitá tříska obloukovitá dělená dle ISO: 6.2. barva zlato-hnědá plynulá tříska vinutá smotaná dle ISO: 2.3. barva zlato-hnědá článkovitá tříska obloukovitá dělená dle ISO: 6.2. barva zlato-hnědá článkovitá tříska obloukovitá dělená dle ISO: 6.2. barva zlato-fialová článkovitá tříska spirálová kuželovitá dle ISO: 3.2. barva zlato-fialová článkovitá tříska obloukovitá dělená dle ISO: 6.2. barva zlato-hnědá plynulá tříska vlnitá šroubovitá smotaná, dle ISO: 4.3. barva zlato-fialová článkovitá tříska obloukovitá dělená dle ISO: 6.2. barva zlato-hnědá článkovitá tříska obloukovitá dělená dle ISO: 6.2. barva zlato-hnědá článkovitá tříska spirálová kuželovitá dle ISO: 3.2. barva zlato-fialová článkovitá tříska obloukovitá dělená dle ISO: 6.2. barva zlato-hnědá článkovitá tříska vlnitá šroubovitá krátká, dle ISO: 4.2. barva zlato-fialová článkovitá tříska obloukovitá dělená dle ISO: 6.2. barva zlato-hnědá článkovitá tříska obloukovitá dělená dle ISO: 6.2. barva zlato-hnědá plynulá tříska obloukovitá spojená dle ISO: 6.1. barva modro-fialová 37/48

Metalografické hodnocení třísek Nástroj s vrstvou TiN - soustružení Posuv 0,1 mm/ot. - začatek soustružení Posuv 0,12 mm/ot. - konec soustružení 38/48

Třísky vzniklé při soustružení vykazovaly elementární (článkovitý) charakter s délkou jednotlivých částí řádově do 1 cm a měly tendenci točit se do spirály. Barva i charakter třísek se lišil v závislosti na době odběru třísky při obrábění. Na počátku obrábění byla barva třísek zlatá a následně přecházela až do konečné zlato-fialové barvy. S rostoucí dobou obrábění se měnil i charakter jednotlivých třísek, kdy docházelo ke zvýšení soudržnosti třísky a prodlužování třísky v jednotlivých spirálách. U třísek vzniklých při frézování byla situace oproti soustružení značně odlišná. Všeobecným rysem byla značná podobnost z hlediska tvaru a barvy třísek vyjma nástroje s vrstvou TiAlSiN a teplotně ovlivněnou vrstvou TiAlN při 800 C. Třísky vzniklé frézováním VBD s vrstvami TiN, TiAlN a TiAlN 400 C měly v průběhu celé životnosti zlatohnědou barvu a nelišila se nijak prokazatelně ani délka jednotlivých článků, která většinou nepřesáhla 20mm. U nástrojů s vrstvami TiAlSiN a TiAlN 800 C docházelo v rozdílu zejména u třísek odebraných před koncem testování jednotlivých nástrojů. Třísky byly zabarvené do světle modré barvy a také jejich charakter byl plynulejší. 39/48

Uspořádání použitého vybavení při soustružení 40/48

Vyhodnocení řezných sil a teplot při soustružení 1600,00 TiAlSiN TiAlSiN 1400,00 1200,00 1000,00 Síla [N] 800,00 600,00 Fx Fz Fy 400,00 200,00 0,00 0:05-0:06 0:30-0:31 0:58-0:59 1:05-1:06 1:30-1:31 1:58-1:59 2:05-2:06 2:30-2:31 2:28-2:59 3:05-3:06 3:30-3:31 3:58-3:59 Čas soustružení [min:sek] 800 700 600 T brit max ( C) T brit avg ( C) T triska max ( C) 500 T ( C) 400 300 200 100 Termovizní systém ThermaCAM SC2000 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 t (min) 41/48

Soustružení Celková síla F 2500,00 F [N] 2000,00 1500,00 1000,00 500,00 0,00 5 30 58 65 90 118 Čas T [sek] 125 150 178 185 210 238 TiAlSiN TiN naco naco400 naco800 Při soustružení dosahovaly nejlepší trvanlivosti nástroje s vrstvami TiN a TiAlSiN. Tyto nástroje pracovaly až dvojnásobnou dobu oproti nástrojům s vrstvami TiAlN (teplotně exploatované, i bez tepelného ovlivnění). 42/48

Soustružení 2,5 2 Drsnost Ra [μm] 1,5 1 TiAlSiN TiN TiAlN TiAlN 400 TiAlN 800 0,5 0 1 2 3 4 Doba soustružení T [min] S opotřebením se rovněž měnila drsnost obrobeného povrchu. Jak dokumentuje graf opotřebení břitu se prokazatelně projevilo na snížení drsnosti obrobené plochy. Jak již bylo uvedeno, rostoucí opotřebení břitu mělo vliv na teplotu jak nástroje, tak i třísek. Se zvyšujícím se opotřebením narůstala teplotou následkem větší kontaktní plochy. Následkem zvyšujícího se poloměru břitu dochází ke snížení drsnosti obrobené plochy. Opotřebení se také projevilo na zvýšení povrchové tvrdosti obrobené plochy. Hodnota tvrdosti se v některých případech zvýšila z původních 55HRC na 61,1 HRC. 43/48

Soustružení 62 61,1 Průběh tvrdosti pro řeznou destičku s vrstvou TiN Hodnota tvrdosti HRC 60 58 56 54 56,4 56,0 57,3 52 a b c d Jednotlivé časové oblasti 1,56 Průběh drsnosti pro řeznou destičku s vrstvou TiN Hodnota drsnosti Ra [ m] 1,6 1,2 0,8 0,4 1,27 1,22 0,75 0 a b c d Jednotlivé časové oblasti 44/48

Závěr Cílem projektu bylo popsat teplotní vliv na vlastnosti tenkých vrstev a získat vstupní data pro návrh dalších projektů. Nemalým úkolem projektu bylo také propojit týmovou prací mladé odborníky technických kateder fakulty strojní a zapojit do řešení studenty, kteří získali podklady pro realizaci diplomových popř. i disertačních prací. Z kontaktních analýz se osvědčil tribologický test, který označil pořadí vrstev tak, jak byly posléze hodnoceny v praktických technologických testech. Ukázalo se, že není důležitý koeficient tření, jestliže jednotlivé rozdíly jsou řádově v několika desítkách procent, není rozhodující ani koeficient otěru, který se poslední dobou často uvádí. Důležitým faktorem je mechanismus opotřebení, vznik adhezních spojů mezi ocelovým PIN tělískem a povrchem zkoušeného systému. Za velmi progresivní metodu testování je autory považován impact test. Jedná se o zcela novou laboratorní kontaktní analýzu, která je i světovým unikátem, proto je třeba tomuto testu věnovat větší pozornost. 45/48

Výsledky fretting testu a scratch testu korelovaly s výstupy vyplývající z elasticko-plastických vlastností popsaných nanoindentačními analýzami a rovněž prokázaly spojitost s výsledky technologických zkoušek. Obě analýzy, sice bez výrazného důrazu, hodnotily systémy TiAlSiN a TiN jako nejlepší. Stejné hodnocení vyplynulo i z technologického testu. Technologickým zkouškám byla rovněž věnována velká pozornost. Poprvé byly na pracovišti řešitele sledovány různé výstupy moderními diagnostickými přístroji. Byla využita termovize, která se ukázala jako nejspolehlivější pro sledování teplotního zatížení nástroje. Měření termočlánky se neosvědčilo pro velmi pomalé (200ms) vyhodnocování odezvy. Bezdotykové měření teploty se rovněž neosvědčilo. Řezný proces byl vyhodnocován také pomocí vysokorychlostní kamery, kdy bylo nutné sestrojit osvětlení tak, aby jeho frekvence nerušila snímaný obraz. Byly získány zajímavé ukázky z tvorby a oddělování třísky. Tyto procesy budou jednak využity jako didaktická pomůcka pro studenty a dále budou ještě vyhodnocovány a hledány další spojitosti s dosaženými výsledky. 46/48

Poděkování Chtěl bych poděkovat všem spoluředitelům, kteří se s ochotou ujali nabízeného problému a svým profesionálním přístupem napomohli dosáhnout cenných zkušeností a ověření některých teoretických poznatků. Rovněž bych chtěl poděkovat vedení fakulty strojní ZČU v Plzni za finanční prostředky, které dovolily věnovat pozornost aktuální oblasti a možnosti realizovat analýzy a testy, které jsou sice ve středu zájmu, avšak jsou na hranici aplikovaného a základního výzkumu. V neposlední řadě bych chtěl poděkovat vedení všech čtyř kateder fakulty strojní a pracovišti NTC ZČU v Plzni a rovněž i předsedům příslušných oborových rad, za jejich podporu a technické vybavení, které poskytli pro řešení problému. 47/48

Takto dopadne exploatovaná břitová destička při teplotě 800 C!