METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
The lifetime test of the thin film TiN on the HSS substrate using the stress by cyclic contact small-area press without borderline effect Jan Sedláčeka Ivo Štěpánekb a) Západočeská univerzita, Univerzitní 22, 301 14 Plzeň, ČR,
[email protected] b) Západočeská univerzita, Univerzitní 22, 301 14 Plzeň, ČR,
[email protected] Abstrakt The paper deals with the evaluation of behaviour of thin film-substrate system as well as of basic material itself during the tests of lifetime by applying cyclic contact small-area press. The primary failure and its extension are observed partly by taking up the vibration signal and indication of its threshold value, partly by evaluating the surface of a substrate or of a thin film-substrate system. The failure during the test is then observed by image-processing system. The evaluation is practised on various basic materials and there are observed both the primary failure and time dependence of failure evolution. The extension of failure is observed by using the image-processing software. There are being determined techniques for further evaluation with the influence of adjustable parameters of test both concerning the acting force and concerning the cycle count and adjustment of catching of the primary failure. The evaluation is carried out both on structural steels and on high speed steels. The system with TiN thin film was evaluated as the first step. The primary results are compared with further evaluation of mechanical properties and behaviour of thin-film substrate system. The evaluation by using optical microscopy is supplemented by electron microscopy analyses. 1.
ÚVOD
Při opotřebení je povrch strojních součástí vystaven mimo jiné i opakovaným silovým účinkům proměnného charakteru. V povrchové vrstvě pak dochází k proměnným elastickým nebo elastoplastickým deformacím. Jestliže intenzita a četnost těchto proměnných deformací dosahuje určitých hodnot, může docházet v průběhu práce strojní součásti ke vzniku únavového porušení povrchu, které má nízkocyklový nebo vysokocyklový charakter. V této souvislosti se setkáváme s označením „kontaktní únavové porušování“ nebo též „kontaktní únava“. K únavovým jevům v těchto případech dochází při silovém, cyklicky opakovaném styku dvou těles. Pro namáhání jsou charakteristické vysoké tlakové složky, které v průběhu pracovního cyklu značně mění svou velikost. Vysoké lokální tlaky se uplatňují zejména při styku těles se zakřivenými styčnými plochami. Velký význam má kontaktní únavové porušování a opotřebení pro životnost valivých ložisek. Asi 80% ložisek se vyřazuje právě z důvodů kontaktního poškození ať již valivých drah nebo i valivých členů. Kromě vysokých lokálních tlaků, které působí cyklicky, spolupůsobí při provozním nasazení ložisek více faktorů, z nichž lze jmenovat zejména kvalitu maziva a přítomnost abrazívních složek v něm, korozní účinky apod. [1] -1-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
Běžné zkoušky kontaktní odolnosti testují především odolnost proti otěru, průniku ostrých indentorů, strhnutí povlaku apod. Jedním z předpokládaných typických způsobů zatěžování některých strojních součástí, např. valivých ložisek, je kontaktní tlak. Za žádoucí tedy bylo shledáno doplnění zkušebních metod testem odolnosti tenkých vrstev u systémů tenká vrstva substrát při namáhání cyklickými kontaktními maloplošnými tlaky bez hranového účinku [2]. Smyslem testu je zatěžování povrchu takovým způsobem, který má za následek vysoká smyková napětí v určité hloubce pod povrchem. Test především umožňuje porovnat životnost povlakovaných a nepovlakovaných povrchů. U tlustších povlaků lze vhodným nastavením parametrů testu lokalizovat maximální poškozující účinek do rozhraní povlak - substrát, neboť jeho vlastnosti nás jako výrobce tenkých vrstev obzvláště zajímají. 2. ZKUŠEBNÍ ZAŘÍZENÍ Zařízení pro zkoušení životnosti při zatěžování cyklickými kontaktními maloplošnými tlaky bylo zkonstruováno na katedře materiálu FJFI ČVUT v Praze v rámci grantového projektu č.106/96/0127: „Řízené depozice směsných a sendvičových tenkých vrstev pomocí reaktivního obloukového odpařování ve vakuu. 2.1 Princip zkoušky Zkouška odolnosti proti cyklickému kontaktnímu maloplošnému tlaku je založena na principu odvalování kuliček (Obr.1), kde vzorkem ve tvaru kotouče je nahrazen jeden z kroužků axiálního ložiska. Zatížení je vneseno axiální silou F. Materiál pod dráhou kuliček je vystaven cyklickému zatěžování s frekvencí f =
kn , 2
(1)
kde k je počet kuliček a n je počet otáček. Při konstrukci se 3 kuličkami jde o staticky určitý případ, kdy i malé poškození vzorku vyvolá v zatěžovacím systému značnou dynamickou odezvu.
Obr.1: Schéma zkoušky [2] 1 - vzorek 2 - kroužek ložiska
-2-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
2.2 Teoretické podklady Uvažujeme-li kouli o poloměru R z materiálu s elastickými konstantami E1 a ν1, která je silou F přitlačována k rovinnému povrchu materiálu s elastickými konstantami E2 a ν2 a omezíme-li se pouze na elastickou deformaci a zanedbáme smykové síly v kontaktu, je podle Hertzovy teorie [3] kontaktní ploškou kružnice o poloměru a=3
3FR 1 − ν 12 1 − ν 22 . + 4 E1 E 2
(2)
Rozložení kontaktního tlaku v této plošce je určeno průběhem p(r ) = p max 1 −
r2 , a2
p max =
3F , 2π a 2
(3)
kde r značí vzdálenost od středu dotykové plošky, v němž je právě dosaženo maximálního tlaku. Z hlediska únavového poškození nás zajímá především smykové napětí. Jeho maximum nabývá hodnoty τmax = 0,316 pmax v hloubce pod povrchem z = -0,47a. Toto napětí však při průchodu pole napjatosti materiálem v důsledku odvalování koule nemění svou polaritu, takže jeho rozkmit je roven jeho maximální hodnotě. Maximálního rozkmitu smykového napětí (∆τ)max = 0,43 pmax je dosaženo pro napětí τyz v hloubce z = -0,35a. Zavádí se pojem „konvenční kontaktní únavová pevnost“ jako maximální kontaktní tlak pmax, při němž nedojde k poškození po proběhnutí 5.107 − 1.108 cyklů. Životnost kroužku axiálního ložiska můžeme odhadnout podle [4] ze vztahu 3
6 k ' C 10 Lh = , F 60n
(4)
kde C je základní dynamická únosnost zvoleného axiálního ložiska, F je axiální zátěžná síla, n je počet otáček za minutu. Koeficient k’ vyjadřuje snížení počtu kuliček poměrem 3 ku počtu kuliček v běžném provedení ložiska. Ve skutečnosti však bude kroužek trpět kontaktem s poškozenými kuličkami a jeho životnost bude nižší [2]. 2.3 Konstrukční řešení Vzorek je upevněn v držáku, kroužek ložiska je umístěn speciálně uloženém vertikálním hřídeli s přímým pohonem od asynchronního elektromotoru. Tři kuličky udržuje v pravidelných rozestupech speciální klec. Zatěžování je realizováno pákovým systémem a sadou závaží. Velikost zátěžné síly se nastavuje počtem závaží a jejich umístěním na páce. Mazání je řešeno samostatnou jednotkou. Dávkování maziva zajišťuje kapač s vizuální kontrolou a citlivým nastavením průtoku. Komora vzorku je utěsněna kroužkem gufero a použitý olej odtéká do odpadní nádoby, poté je filtrován a znovu použit. -3-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
Hlavní parametry zkušební aparatury: tvar a rozměry vzorku: oběžná dráha koulí: průměr koulí: počet koulí: materiál koulí: zatížení na kouli: otáčky a příkon motoru: frekvence zatěžování: chlazení a mazání:
kotouč n 20h6 mm, tloušťka 3 až 5 mm kružnice n 17 mm 4,763 mm 3 ocel 10 - 100 N 2800 ot/min, 25 W 4200 cyklů/min = 70 Hz protékající olej
Obr. 2: Zařízení pro zkoušení životnosti při zatěžování cyklickými kontaktními maloplošnými tlaky (celkový pohled)
2.4 Elektronická část Cílem regulační aparatury (Obr.3) je automaticky zastavit zkoušku po dosažení určitého stavu poškození nebo určitého počtu zátěžných cyklů. Jde nám hlavně o zachycení co nejmenších počátečních poškození. Regulační aparaturu lze použít ve čtyřech režimech: ! automatické řízení zkoušky s přerušením na základě stavu poškození ! automatické řízení zkoušky s přerušením na základě počtu zátěžných cyklů ! automatické řízení zkoušky s přerušením na základě stavu poškození nebo počtu zátěžných cyklů (rozhodující je, která událost nastane dříve) ! sledování stavu poškození a počtu zátěžných cyklů při manuálním řízení zkoušky
-4-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
Obr. 3: Detail elektronické regulační aparatury zařízení pro zkoušení životnosti při zatěžování cyklickými kontaktními maloplošnými tlaky
3. EXPERIMENT Jeden z experimentů byl proveden na austenitické oceli s chemickým složením zjištěným pomocí spektrometru GDOES: 0,77% C; 1,05% Mn; 0,43% Si; 0,67% W; 17,05% Cr; 18,44% Ni; 0,028% Mo; 0,14% V; 0,029% S. Vzorek byl podroben testu při zatížení 100 N na 1 kuličku a experiment byl přerušen po počtu zátěžných cyklů: 1.106; 1,5.106; 2.106; 3.106; 4.106; 5.106; 7.106 a cca 8.106. Po přerušení byla provedena inspekce dráhy odvalujících se kuliček a zdokumentování vybraných míst pomocí metalografického optického mikroskopu vybaveného digitální kamerou (Obr. 4 až 6). Jednotlivá přerušení zkoušky byla provedena manuálně, poslední přerušení pak na základě překročení prahové hodnoty signálu z akcelerometru umístěného na zatěžovacím systému přístroje v těsné vazbě k držáku vzorku, tedy přerušení zkoušky na základě stavu poškození. Vzniklý defekt je zachycen na obrázcích 7 a 8.
Obr. 4: Dráha kuliček na austenitické oceli po proběhnutí 1.106 cyklů, 100×
-5-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
Obr. 5: Dráha kuliček na austenitické oceli po proběhnutí 3.106 cyklů, 100×
Obr. 6: Dráha kuliček na austenitické oceli po proběhnutí cca 8.106 cyklů, 100×
Obr. 7: Defekt na austenitické oceli po proběhnutí cca 8.106 cyklů, 100×
Obr. 8: Defekt na austenitické oceli po proběhnutí cca 8.106 cyklů, ŘEM, 125×
-6-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
Další experimenty jsou v současné době prováděny na nástrojové oceli ČSN 19830 a to jak na vzorcích s tenkými vrstvami TiN deponovanými reaktivním obloukovým odpařováním ve vakuu (Obr. 9 až 11), tak na vzorcích bez vrstvy, aby bylo možno provést porovnání vlastností povlakovaného a nepovlakovaného materiálu. Časové nároky na takovéto experimenty jsou však značné v souvislosti s vysokými mechanickými vlastnostmi uvedené nástrojové oceli. Příspěvek byl prezentován v rámci řešení projektu FRVŠ č. 502/2000.
Obr. 9: Dráha kuliček na oceli ČSN 19830 bez vrstvy TiN po proběhnutí cca 42.106 cyklů, 100×, NDIC
Obr. 10: Dráha kuliček na oceli ČSN 19830 s vrstvou TiN po proběhnutí cca 42.106 cyklů, 100×, NDIC
Obr. 11: Detail odloupnutí tenké vrstvy na okraji dráhy valení kuliček na oceli ČSN 19830 s vrstvou TiN, ŘEM, 2500×
-7-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
LITERATURA [1] VOCEL, M., DUFEK, V. a kol.: Tření a opotřebení strojních součástí. Praha, SNTL 1976, s.324-337. [2] LAUSCHMANN, H., JAROŠ, P., KRÁSA, M.: Zařízení pro zkoušení životnosti při zatěžování cyklickými kontaktními maloplošnými tlaky. [Výzkumná zpráva V-KMAT458/99] Praha, FJFI ČVUT 1999 [3] OLIVA, V., OLEXA, J.: Úvod do teorie tření, opotřebení a kontaktního porušování. Praha, FJFI ČVUT 1978, s. 70. [4] Valivá ložiska ZKL. Praha, SNTL 1968, s. 279.
-8-
