Analýza PIN-on-DISC Ing. Jiří Hájek Dr. Ing. Antonín Kříž ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI
1/18 TRIBOLOGICKÝ PROCES Tribological process Factors that influence the process: loading, loading type, movement type, speed, temperature, type of friction, running in Secondary friction partner (structure, hardness, roughness)) Okolní média Medium (air,water, aggressive medium, dust, radiation etc.) Interlayer Counterpart Basic body Material interlayer lubricant, abrasive particles Primary friction partner (structure,hardness), drsnost) Abrasion, adhesion, erosive wear, cavitational wear. Etc.. Surface changes (evident form of wear) Material loss (extent wear extent) Noticeable abrasive wear, wear factor, material loss
2/18 Tribologická analýza PIN-on-DISC Parametry zařízení: Maximální zatížení 60N Rychlost otáčení 10-500 ot./min. Teplotní rozsah 20 C 1000 C. Zpracování dat pomocí PC PIN-on-DISC test byl prováděn na tribometru (ball-on-disc, CSEM instrument). Při experimentu je pevně uchycené PIN tělísko (kulička), vtlačováno konstantní silou na zvolené dráze (zvoleném poloměru) do zkušebního vzorku ( DISC DISC ). Vzorek se otáčí konstantní rychlostí
Vliv zatížení na hodnotu koeficientu tření - vrstva AlTiN Tření versus zatážení AlTiN r7mm r8mm r5mm 0,8 0,7 0,6 F=10N Koeficient tření 0,5 0,4 0,3 F=2N F=1N 0,2 0,1 0,0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Počet cyklů Sledována byla tenká vrstva AlTiN deponovaná na substrát ze slinutého karbidu Připravené vzorky byly před depozicí broušeny a leštěny na Ra max. 0,1. Patrný je rozdíl mezi koeficientem tření zjištěným při zatížení 2 a 10N. Při testu, který byl prováděn se zatížením 1N koeficient tření při zvolené obvodové rychlosti výrazně kolísal, čímž klesá vypovídací hodnota prováděného experimentu 3/18
Vliv obvodové rychlosti na hodnotu koeficientu tření vrstva AlTiN Zvolené rychlosti : 1,25rad/s, 2,5 rad/s, 5rad/s. Zatížení působící na vzorek bylo 10N. Zvolený počet cyklů 3000 protože jsme chtěli zamezit vlivu substrátu. PIN tělísko působící na tenkou vrstvu bylo z keramického materiálu Al PIN tělísko působící na tenkou vrstvu bylo z keramického materiálu Al 2 O 3 T ř e n í v s. r y c h l o s t - A l T i N r 3 m m r 5 m m r 6 m m 0, 8 0, 7 v = 5 r a d * s - 1 0, 6 0, 5 K o e f. t ř e n í 0, 4 0, 3 v = 1, 2 5 r a d * s - 1 v = 2, 5 r a d * s - 1 0, 2 0, 1, l 0 0 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 P o č e t c y k ů Z Grafu 1 je patrný vliv obvodové rychlosti až od 5 rad/s. Do té doby je rozdíl v koeficientu tření zanedbatelný. Tento nárůst hodnoty koeficientu tření patrně souvisí s nárůstem teploty v místě kontaktu. 4/18
5/18 Kontakt mezi kovem a keramikou Závisí na typu kovového protikusu a na podmínkách zatížení/rychlost tření. Kov se při tření přilepí na keramiku a vytvoří na ní transferový film ovlivní výsledky Většina kovů má ve srovnání s keramikou mnohem nižší hodnotu napětí při plasticko elastické deformaci. Nejdůležitějšími faktory: adheze a tření mezi kovy (závisí na houževnatosti daného kovu) Adhezi ovlivní přítomnost nečistot
6/18 Kontakt mezi kovem a keramikou Kontakt ocel vs. tenká vrstva Kontakt keramika vs. tenká vrstva Kontakt keramika vs. tenká vrstva
7/18 Opotřebení při nízkých rychlostech tření Při testu PIN-on-DISC není teplota v místě kontaktu dost vysoká na to aby umožnila výraznější oxidaci vrcholků nerovností. Během testu dochází pouze ke vzniku tzv. oxidických ostrůvků na opotřebovaném povrchu. Povrch ostrůvků je hladký a je tvořen z plasticky deformovaných jemných oxidických úlomků. Pod tímto povrchem je směs mnohem větších oxidů a zoxidovaných částic.
8/18 Opotřebení při nízkých rychlostech tření Produkty vznikající při testu PIN-on-DISC Kontakt kuličky Si3N4 proti tenké vrstvě AlTiN Zoxidované části vrstvy
9/18 Opotřebení za vysokých teplot Čím prudší je nárůst teplot tím kratší je doba tvorby oxidů Odtržené jemné kovové úlomky, které zůstanou na povrchu zoxidují a spojí se do kompaktního celku glazury Tento faktor významně ovlivní míru opotřebení materiálu
Opotřebení za vysokých teplot Navařené částice TiO 2 na čelní straně kuličky není kruhový kontakt - 700 C Vytváření hrany na kuličce během testu 500 C Ulpíváním částic tenké vrstvy na přední hraně kuličky dochází k nadzdvihnutí dvěma Newtony přitlačovaného tělíska, čímž vzniká nepravidelná plocha opotřebení elipsa 10/18
Opotřebení za vysokých teplot jak měřit opotřebení stopy? 11/18
Mechanizmus porušení tenké vrstvy při PIN-on-DISC testu Plastická deformace je ovlivňována: Tvrdostí tenké vrstvy a její adhezí k substrátu Množstvím a tvarem částic které rýhují povrch 12/18
Mechanizmus porušení tenké vrstvy při PIN-on-DISC testu Nejprve dochází k plastické deformaci okolo vrypu Tento vryp způsobují částice tenké vrstvy a odloupnuté částice kuličky 13/18
Mechanizmus porušení tenké vrstvy při PIN-on-DISC testu 14/18
15/18 Mechanizmus porušení tenké vrstvy při PIN-on-DISC testu Po překročení určité velikosti deformace dochází k odtrhnutí tenké vrstvy od podkladu Konečné odhalení substrátu Směr pohybu
16/18 Mechanizmus porušení tenké vrstvy při PIN-on-DISC testu Konečné odhalení substrátu. Tvar a způsob poškození podobný poškození při scratch testu
17/18 Mechanizmus porušení multivrstvy Poškození multivrstevného systému při tribologickém testu
Nový tribologický test Většina tribologických testů je aplikována na tvrdé otěruvzdorné vrstvy které jsou určené pro obráběcí nástroje. Tyto tenké vrstvy mají hodnoty tvrdosti vyšší než je tvrdost některých keramických materiálů (např. Si3N4). Dochází tedy k výraznému zkreslení výsledků a je velmi obtížné dosáhnout vysoké reprodukovatelnosti. Z těchto důvodu byla sestavena nová konfigurace testu PIN-on-DISC, která více odpovídá podmínkám při obrábění. Tento test napodobuje kontakt mezi nástrojem a obrobkem Váleček na kterém je tenká vrstva Disk který je z materiálu, který má být obráběn 18/18
DĚKUJI ZA POZORNOST Prezentaci společně s příspěvkem je možné stáhnout na internetových stránkách: www.ateam.zcu.cz