TENKÉ VRSTVY NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH PRO TĚŽKOOBROBITELNÉ PLASTY VÝVOJ TENKÝCH VRSTEV APLIKOVANÝCH NA ŘEZNÝCH NÁSTROJÍCH
Aplikace tenkých vrstev ve strojírenství
Tato přednáška vznikla sloučením dvou původních příspěvků, které jsou uvedeny ve sborníku na str. 235-250.
2
3 Materiál nástroje
Geometrie nástroje
Technologické podmínky obrábění
V dnešní době to však k úspěchu nástroje nestačí
4
• Větší trvanlivost nástroje (využití v hromadné výrobě, automaty) • Obrobený povrch s vyšší kvalitou (lepší povrch při stejné ceně – vyšší kvalita) • Obrábění s minimálním množstvím procesní kapaliny (ekologie, cena, starosti s recyklací a skladováním)
5
Komplexní řešení – cesta k úspěchu
Co je to tenká vrstva?
Srovnání tloušťek lidského vlasu a vrstvy deponované CVD technologií (u PVD vrstev je tloušťka 1- 5µm)
6
7 Proč nalezla tenká vrstva v řezném procesu takové uplatnění? Vrstvy firmy LISS Platit a.s.
Zdroj: Ceme Con, Kunden Magazin fur Beschichtungstechnologie, Science, Nr. 10, Januar 2004
Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde
Důležité vlastnosti řezného nástroje • tvrdost • nízký koeficient tření • tepelná bariéra
Systém tenká vrstva-substrát
8
Vrstva Rozhraní Substrát
Deponované tenké vrstvy je třeba chápat jako systém, neboť vrstva pro svoji tloušťku dosahuje společně se substrátem specifických vlastností a chování. Samotné tenké vrstvy mají na rozdíl od objemových materiálů rozdílné vlastnosti a to nejen z důvodů svojí tloušťky, ale i následkem depozičních procesů, které lze označit jako nerovnovážné a iniciující vznik metastabilních fází.
9 Pro zajištění požadovaných vlastností je nutné věnovat pozornost všem složkám tvořící
daný systém Otěruvzdorná vrstva Odolnost proti opotřebení Redukce tření Korozní odolnost Difúzní bariéra Tepelná bariéra
Substrát Pevnost Tuhost Geometrie
Mezivrstva Adheze Bariéra rozvoje trhlin Kompenzace dilatace a pnutí Modifikace struktury a morfologie
10 1968 – CVD depozice vrstvy TiC na řezné destičce ze slinutého karbidu
Firma Ceratizit sídlí v rakouských Alpách v blízkosti jezera Plansee.
11
Moderní struktura vrstvy
Monovrstva
Monovrstva s adhezní vrstvičkou 80. léta
Zdroj: Martin Kathrein, Aktuelle Entwicklungen in der Hartmetallbeschichtung, Hartmetallbeschichtung, Ceratizit - Seminarkunde
Gradientní vrstva
12
Moderní struktura vrstvy Sendvičově řešená vrstva
Skladba vrstvy
Část výbrusu kaloty
Moderní struktura vrstvy - Nanostrukturované vrstvy
13
Nanovrstevná struktura
Substrát 100 nm
Zdroj: Pavel Holubář, Nová průmyslová technologie povlakování Přednáška Vrstvy a Povlaky 2003
Schématický postup šíření trhliny multivrstevným systémem
14
Nanokompozitní struktura; nc- (Ti1-x Alx)/a-Si3N4 Model
TEM obrázek monovrstvy nc-kompozitu
Source: S. Veprek, TU München Zdroj: S. Veprek, TU Mnichov
Nanorozměrové krystaly AlTiN jsou „vsazeny“ do matrice Si3N4 Zdroj: S. Veprek, TU Mnichov Měřeno v EPF, Lausanne
15 Tvrdost [GPa]
Tvrdost
Zdroj: Cselle Tibor, přednáška Quo Vadis Coating, Vrstvy a Povlaky 2004
Nedeponované SK
TiN
TiAlN AlTiN
TiAlSiN
Zvýšení mikrotvrdosti aplikací progresivních tenkých vrstev TiAlSiN
Vývoj nanokompozitní vrstvy • 2003: nACo®: TiAlN / SiNx: pro obecné použití • 2004: nACRo®: AlCrN / SiNx: pro použití v obtížných podmínkách • 2005: nACo®+: TiAlN / Si(+)Nx+CBC: pro použití v těžkých podmínkách • 2006: nACVIc ®: AlCrN / SiNx + CBC: pro kombinované použití Zdroj: Cselle Tibor, přednáška Quo Vadis Coating 2007, Vrstvy a Povlaky 2006
16
nACo … nanokompozit založený na bázi Ti …. nc-AlTiN / a-Si3N4 Největší novinka roku 2006 v oblasti průmyslové aplikace tenkých vrstev na řezných nástrojích je
AlCrN / SiNx + CBC (PLC) nACRo .. nanokompozit založený na bázi Cr … nc-AlCrN / a-Si3N4 The Camel-Curve ® : Nanocomposite Structure Eliminates Disadvantages of Conventional Coating nACRo ® : Nanocomposite: (nc-AlCrN)/(a- Si
3N4)
AlCrN
Zdroj: Cselle Tibor, přednáška Quo Vadis Coating, Vrstvy a Povlaky 2004
17
18
Kluzné vrstvy
Srovnání - "PIN - on - DISC" ball Al2O3
1,1
Srovnání koeficientu tření – „PIN“ (kulička) Al2O3 MoS2
AlTiN
Vrstva na bázi uhlíku
1,0 0,9
AlTiN
0,8
koef. tření
0,7 0,6
Vrstva na bázi uhlíku
0,5 0,4 0,3 0,2
MoS2
0,1 0,0 0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
Dráha v km
Krystalografická mřížka MoS2
0,25
0,30
0,35
Polymer-Like Carbon (PLC) - Diamond-like carbon (DLC) Hybridizace orbitalů (a) sp, (b) sp2, (c) sp3 Hybridní orbitaly sp vzniknou hybridizací jednoho orbitalu s a jednoho orbitalu p. (a)
(b)
(c)
Ternární fázový diagram vazeb u a –C:H.
Změnou koncentrace vodíku a poměru sp2 / sp3 vazeb mohou být připraveny měkké polymer-like (PLC) vrstvy nebo tvrdé amorfní diamond-like carbon (DLC) vrstvy. Diamond-like carbon (DLC) vrstvy mají podobné mechanické, optické, elektrické a chemické vlastnosti jako přírodní diamant, ale nemají jednoznačnou krystalovou strukturu. Jsou amorfní a skládají se ze směsi sp3 a sp2 uhlíkových struktur. Zdroj: Sosnová M., Kříž A., Hájek J.: FRICTION THIN LAYERS, Vrstvy a Povlaky 2005
Průmyslová aplikace kluzných vrstev
Schéma oddělování třísky u hliníkových slitin
20
21
Tvar třísek při obrábění hliníkových slitin
22
Vytváření nárůstku na břitu nástroje při obrábění hliníkových slitin
23
Vyplatí se depozice řezných nástrojů? Odvrtaná délka; Lf [m] Bez PVD
50
28
27
Bez vrstvy Bez vrstvy
TiN
TiAlN
TiN
Přeostřeno
0
Depozice
7.4
Přeostřeno a deponováno
4.5
50
45,- Kč /1m odvrtané délky
Depozice
10
Přeostřeno+přepovlakováno
51
Přeostřeno
20
přeostřeno
Přeostřeno a deponováno
30
288,- Kč /1m odvrtané délky
40
Povlakovaný nástroj
288,- Kč /1m odvrtané délky
60
78,- Kč /1m odvrtané délky
Ceny dle katalogu
10.8
4.5
Bez vrstvy
Multivrstva TiAlN 2
České firmy zabývající se depozicí tenkých vrstev
38/39
24
25
Následující praktický příklad aplikace tenkých vrstev na řezných nástrojích má za cíl dokumentovat nejen vlastnosti tenkých vrstev, ale především ukázat komplexní řešení problému, které si mnohdy vyžádá netradiční přístup a využití všech dostupných poznatků.
Obráběný sendvičový materiál
26
27 Vliv sklonu vláken na kvalitu povrchu
Zpočátku byla obava z vlivu vláken a to z důvodu možného abrazivního poškození břitu a rovněž z negativního ovlivnění kvality obrobené plochy.
Skutečný problém byl ve vytvoření defektních otřepů na obrobené ploše, aniž by nastalo výrazné opotřebení břitu nástroje.
28
29
Stav břitu v okamžiku špatné kvality obrobené plochy
30
Způsob řešení Materiálové řešení: • materiál nástroje • povrchová úprava Geometrie nástroje: • mikrogeometrie • makrogeometrie Úprava technologie obrábění: • v současné době jsou prováděny rozsáhlé zkoušky, které objasní tyto souvislosti. Prozatím je zjištěno, že při sousledném obrábění je kvalita obrobené plochy HORŠÍ než při nesousledném.
6 / 28
31
Průběh obrábění
Nesousledně
363mm
Sousledně
190mm
Celkem
553mm
Úprava mikrogeometrie před depozicí Omletí v ořechových skořápkách s brusivem Al2O3 Otryskání1 Al2O3 – 7 mikronové zrno Omletí 2 v ořechových skořápkách s brusivem Al2O3 Otryskání2 diamantovým prachem unášeným gumovým granulátem
32
33
Před otryskáním
Reálný stav běžně broušeného nástroje ze slinutého karbidu
Po otryskání
Změna povrchu následkem předdepoziční úpravy břitu nástroje
34
35
36
Povrchová úprava nástrojů v aplikaci obrábění sendvičových težkoobrobitelných plastů
Nanokrystalická vrstva TiAlSiN
37
Gradientní vrstva TiAlN s kluznou vrstvou na povrchu
Monovrstva vrstva TiAlN
Testované nástroje a jejich povrchová úprava 1
Otrysk u dodavatele tryskacích strojů
Bez vrstvy
4
Otrysk u dodavatele tryskacích strojů
TiAlSiN
7
Omleto u výrobce vrstvy TiAlN gradientní
Bez vrstvy
12
Omleto u výrobce vrstvy
TiAlSiN
14
Otrysk u dodavatele tryskacích strojů
TiAlN - monovrstva
17
Otrysk u dodavatele tryskacích strojů
TiAlN – gradientní s kluznou vrstvou
22
Omleto u výrobce vrstvy TiAlSiN
Bez vrstvy
23
Beze změny
Bez vrstvy
26
Beze změny
TiAlSiN
30
Omleto u výrobce vrstvy TiAlSiN
TiAlN - monovrstva
33
Omleto u výrobce vrstvy
TiAlN – gradientní s kluznou vrstvou
36
Beze změny
TiAlN – gradientní s kluznou vrstvou
39
Beze změny
TiAlN - monovrstva
38
Bylo obráběno 10 desek se stejnými řeznými podmínkami: n = 24 000 ot/min f = 3 600 mm/min (fz = 0,15) Po obrobení čtyř desek byly břity nástrojů zdokumentovány na řádkovacím elektronovém mikroskopu po focení bylo provedeno frézování dalších 6 desek. Celkové vyhodnocení chování nástrojů dle vrstev Varianta Gradientní TiAlN s kluznou vrstvou Nanokompozitní TiAlSiN
I.
II.
III.
Prům.
1,78 1,33 2,00
1,71
1.
1,55 2,11 2,00
1,89
3.
Monovrstva TiAlN
1,78 1,56 2,00
1,78
2.
39
Technologické zkoušky v laboratorních podmínkách
Způsob opotřebení zahrnuje faktory, které mnohdy zůstávají nepovšimnuty - např. chvění nástroje nevyvážeností, nedostatečnou tuhostí nástroje, obrobku ….
40
41
Cíl laboratorních testů – porozumět dějům při obrábění
Provedené laboratorní testy: Mikrotvrdost Scratch test – vrypová zkouška
Tribologický test - poupravena metodika testování
Testy u nichž byly vyvinuty nové metodiky zkoušení:
Tribologická zkouška za rotace Impact test Fretting test
42
Mikrotvrdost
43
12 10 8 6 4 2 0 (met. leštěn)
TSI - Etreme
(met. leštěn)
DSI nACo+DLC
(metal. leštěn)
CSI TiAlSiN
(beze změny)
22 - Exceed
(beze změny)
15 - Etreme
(otryskání LISS)
11 - nACo+DLC
změny substrátu)
nACo+DLC(bez
8-
změny substrátu)
1-TiAlSiN(bez
[nJ]
We + Wr
TSI - Etreme (met. leštěn)
DSI nACo+DLC (met. leštěn)
CSI TiAlSiN (metal. leštěn)
22 - Exceed (beze změny)
15 - Etreme (beze změny)
11 - nACo+DLC (otryskání LISS)
8nACo+DLC(bez změny substrátu)
1-TiAlSiN (bez změny substrátu)
[GPa] 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
HIT - instrumentovaná nanotvrdost
44
Energie elastické a plastické deformace
Scratch test – vrypová zkouška
45
Parametry zkoušky při použití standardních podmínek měření – 10 mm/min a 100 N/min., zatížení 0-100 N, indentor je diamantový Rockwellův kužel s vrcholovým úhlem 120° a s poloměrem zaoblení špičky hrotu 200 mm.
Zatížení v místě, kde došlo k prvnímu porušení vrstvy (trhliny) – LC1, porušení vrstvy většího rozsahu – LC2 , první odhalení substrátu – LC3, totální odhalení substrátu – LS
46
Hodnoty kritických zatížení Vzorek
Kritické zatížení Lc [N] Lc1 [N]
Lc2 [N]
Lc3 [N]
Ls [N]
TiAlSiN
16 ± 5
39 ± 10
58 ± 1
62 ± 1
TiAlN + PLC
38 ± 2
47 ± 1
52 ± 0
52 ± 0
TiAlN
21 ± 2
46 ± 0
53 ± 0
57 ± 2
47
Vzorek
Popis porušení
Vyhodnocení z hlediska A/K
porušení
TiAlSiN
Rozmáznutí makročástic přejetím hrotu. Vrstva se neštěpí, má dobrou plasticitu. V oblasti vyšších zatížení nastává mírné vrásnění vrstvy, které přechází v její štěpení, zejména podél hrany vrypu
1
3
TiAlN + PLC
Neštěpí se, na okrajích vrypu se vyskytují pouze jemné trhlinky kohezivního charakteru. Uvnitř stopy se vrstva jemně vrásní, ale nedochází k žádnému vytrhávání. Vrstva se pouze kohezivně porušuje až do dosažení Lc3 a Ls.
3
1
TiAlN
Vrstva se porušuje uvnitř stopy vrypu „rozmazává se“. Na okrajích vrypu nedochází k porušení, pouze po dosažení kritického zatížení Lc3.
2
2
TRIBOLOGICKÝ TEST
• Tribologický test metodou „PIN-on-DISC“ není pouze prostředek k získání hodnot koeficientu tření určité materiálové dvojice, ale je jedním z nejdůležitějších laboratorních testů, který má za cíl určit charakter daného experimentálního materiálu a oblast jeho využití. • Podmínky tribologického testu byly koncipovány tak, aby nastalo odhalení substrátu. Tribologické testy byly provedeny díky vstřícnosti následujících pracovišť: NTC – ZČU v Plzni KFY – ZČU v Plzni FST – ČVUT Praha
48
49
Průběh koeficientu tření 0,9
friction coefficient
0,8 0,7
TiAlN – 7 000
TiAlSiN – 15 000
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
TiAlN s kluznou vrstvou – 10 000
50 vrstva TiAlSiN – 15 000 cyklů
vrstva TiAlN – 7000 cyklů
vrstva TiAlN + PLC– 10 000 cyklů
51 Vliv změny reliéfu povrchu na koeficient tření 0,20 0,18
friction coefficient
0,16 0,14
Výpočet dynamického koef. tření – průměrná hodnota z této oblasti
0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 laps
Exp. 1 - Měření statického koeficientu tření při pokojové teplotě Exp. 2 - Zjištění dynamického koeficientu tření při pokojové teplotě Exp. 3 - Sledování chvění při pokojové teplotě – při nízké rychlosti Exp. 4 - Sledování chvění při pokojové teplotě – při vysoké rychlosti
52
Hodnocení výsledků tribologického měření Vzorek
Pořadí Exp. 1
Exp.2
Exp. 3
Exp. 4
Celkem
Pořadí
2- TiAlSiN beze změny
8
6
6
7
27
8
5 - TiAlSiN omleto
3
5
4
2
14
2
9 - nACo+DLC beze změny
6
3
5
5
19
4
12 - nACo+DLC otryskání
7
2
8
8
25
7
16 - Xtreme beze změny
4
4
2
6
16
3
20 - Mazak otryskání
1
1
1
1
4
1
21 - K10 UF
2
7,5
7
3
19,5
5-6
29 - Exceed Balzers beze změny
5
7,5
3
4
19,5
5-6
Nový přístroj a metodika tribologického měření
53
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. mikroskopu s přesností minimálně 0,2µm.
off-line
měření pomocí
konfokálního
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.
Konstrukce nového tribologického přístroje:
54
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.
Toto řešení se přiblíží praktickým aplikacím!
Tribologická zkouška za rotace
55
Rychlost rotace polypropylenového tělíska 3000 ot./min. Test byl rozdělen na několik časových úseků po 5.,15.,30.,60. a 90. minutě.
Detail stopy vzorku bez vrstvy s vyznačením jednotlivých druhů opotřebení po 30 minutách testu
56
Stopa opotřebení vzorku bez vrstvy po 90 min. testu. Záznam byl proveden pomocí konfokálního mikroskopu.
Stopa opotřebení vzorku s vrstvou TiAlN+DLC po 90 min. testu. Záznam byl proveden pomocí konfokálního mikroskopu.
Při tribologickém testu za rotace testu se potvrdil velmi důležitý poznatek. Skleněná vlákna, která jsou chaoticky umístěna v polypropylenu, neovlivňují výrazně mechanismus poškození povrchu. V žádném sledovaném případě nebyly shledány výrazně degradující stopy po abrazivním opotřebení.
IMPACT TEST Impact test umožňuje testovat vybrané vrstvy na únavovou pevnost, zatímco např. zkoušky založené na scratch testu (postupném vnikání hrotu do povlaku při zvětšujícím se zatížení) mohou být nedostatečné pro simulaci podmínek, kdy je povrch materiálu vystaven rázovému únavovému opotřebení.
Impact test vlastní konstrukce, na němž v současné době probíhá testování a vytvoření metodiky.
57
VYUŽITÍ KONFOKÁLNÍHO MIKROSKOPU Konfokální mikroskop Olympus LEXT OLS3000
Tento přístroj pořídila FST ZČU díky vzájemné spolupráci s Fakultou elektrotechnickou ZČU v Plzni.
58
59
60
Využití konfokálního mikroskopu při dokumentaci a kvantifikaci opotřebení nástroje
ZÁVĚR Depozice i tenké vrstvy samotné prodělaly za posledních 40 let značný vývoj. Ovlivnily celou řadu odvětví, přesto jejich možnosti nejsou ještě plně zmapovány natož vyčerpány. Pro jejich aplikační využití je třeba sledovat celou řadu faktorů a vlastností, které si vyžádají mnohdy netradiční přístup, stavbu nových přístrojů a vytvoření progresivních metodik. Tato cesta, která není jednoduchá ani krátká, však může jedině přinést úspěch.
Prezentaci upravené přednášky je možné stáhnout na internetové adrese: www.ateam.zcu.cz
