N - Západočeská univerzita

Na počátku byla
co
kdy
se
žs
st a
ne
s
obyčejná zvědavost,
na
d
en
ec h
áv
ep
pec
i
on
o
van
při
te
ou
plo
tě
bři
to
vo
ud
es t
80 0
°C
ičk
po
do
bu
4
ou
,
0m
in?
Tak vznikl impuls zabývat se
teplotní odolností tenkých vrstev a jejich
přínosem při obrábění tvrdých ocelí
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
1/48
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
2/48
Martin Rezek - Příprava metalografických vzorků
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
Substrát – slinutý karbid K20
6/48
Tloušťka [µm]
TiAlN (nACo)
1,8
TiAlSiN
3,2
TiN
0,9
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
Elastická energie [nJ]
Energie spotřebovaná na deformace
Plastická energie [nJ]
10
HIT [GPa]
45
4,616
4,52
3,777
3,666
3,145
3,004
3,656
39,3
40
34,4
35
6
30
[GPa]
Energie [nJ]
8
Indentační mikrotvrdost
4
5,265
5,48
5,304
5,375
5,81
5,898
5,762
26,1
35,3
32,3
35,2
24,8
25
20
15
2
10
5
0
0
TiN (20°C)
TiN (400°C)
TiAlSiN
(20°C)
TiAlSiN
(400°C)
nACo (20°C)
nACo
(400°C)
nACo
(800°C)
TiN (20°C)
100
90
87,7
TiN (400°C)
TiAlSiN
(20°C)
TiAlSiN
(400°C)
nACo (20°C)
nACo
(400°C)
nACo
(800°C)
Podíl Wr/We
82,5
80
71,2
70
68,2
63,4
54,1
60
50,9
50
40
30
20
10
0
TiN (20°C)
10/48
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
TiN 500 cyklů, zatížení 1N, PIN 14 109
Fretting test
test
Materiál „PIN“ tělíska
Zatížení
počet cyklů
1
ocel 14 109
1N
500
2
Si3N4
2N
1000
3
Si3N4
10N
1000
4
Si3N4
10N
2500
Parametry Fretting testu
1000 cyklů, zatížení 2N, PIN Si3N4
1000 cyklů, zatížení 10N, PIN Si3N4
vrstva
stav 1
stav 2
stav 3
TiN
TiN 20°C
TiN 400°C
-
TiAlN
nACo 20°C
nACo 400°C
nACo 800°C
TiAlSiN
TiAlSiN 20°C
TiAlSiN 400°C
-
2500 cyklů, zatížení 10N, PIN Si3N4
Teplotní zatížení analyzovaných systémů
12/48
TiN
TiN
Průběh koeficientu tření
0,7
0,6
koeficient tření
0,5
TiN 1_1000
TiN 1_2500
TiN 3_1000
TiN3_2500
0,4
0,3
TiAlN
TiAlN
0,2
0,1
0,7
0
0,6
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0,5
koeficient tření
počet cyklů
TiAlSiN
TiAlSiN
0,4
;
0,3
0,2
0,7
0,1
0,6
0
0
0,5
koeficient tření
TiAlN 1_1000
TiAlN 1_2500
TiAlN 3_1000
TiAlN 3_2500
TiAlN 4_1000
TiAlN 4_2500
TiAlSiN 1 _1000
TiAlSiN 1 _2500
TiAlSiN 3 _1000
TiAlSiN 3 _2500
0,4
500
1000
1500
2000
2500
počet cyklů
0,3
0,2
0,1
0
0
500
1000
počet cyklů
1500
2000
2500
13/48
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.
Porušení asociované
silou: (a) LC1 (b) LC2
(c) LC3
90
80
Kritické zatížení [N]
70
Hodnoty sil popisující jednotlivá
poškození u analyzovaných
systémů
60
Lc1
50
Lc2
Lc3
40
Ls
30
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
1N
2,5cm/s
14109
500
cyklů
5mm
Parametry zjišťování odolnosti proti opotřebení mezi tenkou
vrstvou a „PIN“ tělískem Si3N4
L
v
Ball
n
r
10N
2,5cm/s
Si3N4
1000 event.
2500cyklů
2mm
"PIN" tělísko ocel 14109
TiN20
TiAlSiN20
nACo20
TiN400
nACo400
nACo800
TiAlSiN400
1,0
0,9
0,8
Friction
0,7
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
Tepelně exploatované vzorky
Opotřebení po tep. zátěži
Opotřebení 20°C
3,0E-06
6,0E-06
2,5E-06
5,0E-06
2,0E-06
Opotřebení
k. opotřebení
4,0E-06
3,0E-06
1,5E-06
1,0E-06
2,0E-06
5,0E-07
1,0E-06
0,0E+00
0,0E+00
TiNr
nACo
TiAlSiN
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
Velikost složek řezné síly F [N]
Systém TiAlN 400°C
Fx I
2500
Fy I
2000
Fz I
1500
Fx II
1000
Fy II
500
Fz II
0
-500
-1000
-1500
-2000
-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 T [s]
Čas na konci lineární oblasti opotřebení
400
350
300
250
200
150
100
50
0
TiAlN
TiAlN 400°C
TiAlN 800°C
TiAlSiN
TiN
28/48
Při prvním měření
Frézování
TiN
Na konci trvanlivosti
TiAlSiN
Při prvním měření
Na konci trvanlivosti
29/48
TiAlN 400°C
Při prvním měření
Frézování
Na konci trvanlivosti
TiAlN 800°C
Při prvním měření
Na konci trvanlivosti
30/48
Frézování
Drsnost Ra [µm]
Drsnost povrchu
3,5
3
2,5
2
po prvním řezu
na konci životnosti
1,5
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
Náběr třísek ( 1 – počátek prac. cyklu, 2 po 2. min., na konci )
1
2
3
TiN
článkovitá tříska obloukovitá
dělená
dle ISO: 6.2.
barva zlato-fialová
plynulá tříska
stužková smotaná
dle ISO: 1.3.
barva zlato-fialová
plynulá tříska
stužková smotaná
dle ISO: 1.3.
barva světle modrá
TiAlSiN
plynulá tříska
stužková smotaná
dle ISO: 1.3.
barva zlatá
plynulá tříska
vinutá smotaná
dle ISO: 2.3.
barva zlatá
plynulá tříska
stužková smotaná
dle ISO: 1.3.
barva světle modrá
TiAlN
článkovitá tříska obloukovitá
dělená
dle ISO: 6.2.
barva zlatá
článkovitá tříska
obloukovitá spojená
dle ISO: 6.1.
barva zlato-fialová
plynulá tříska
vlnitá šroubovitá smotaná,
dle ISO: 4.3.
barva zlato-fialová
TiAlN - 400°C
článkovitá tříska
vlnitá šroubovitá krátká, dle
ISO: 4.2.
barva zlato-fialová
článkovitá tříska
vlnitá šroubovitá
krátká, dle ISO: 4.2.
barva fialová
plynulá tříska
vinutá smotaná
dle ISO: 2.3.
barva fialová
TiAlN - 800°C
článkovitá tříska
vlnitá šroubovitá krátká, dle
ISO: 4.2.
barva zlato-fialová
plynulá tříska
vlnitá šroubovitá
smotaná, dle ISO: 4.3.
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
Náběr třísek ( 1 – počátek prac. cyklu……….)
1
2
3
TiN
článkovitá tříska obloukovitá
dělená
dle ISO: 6.2.
barva zlato-hnědá
článkovitá tříska obloukovitá
dělená
dle ISO: 6.2.
barva zlato-hnědá
článkovitá tříska obloukovitá
dělená
dle ISO: 6.2.
barva zlato-hnědá
TiAlSiN
plynulá tříska
vinutá smotaná
dle ISO: 2.3.
barva zlato-hnědá
plynulá tříska
vlnitá šroubovitá smotaná, dle
ISO: 4.3.
barva zlato-fialová
článkovitá tříska
vlnitá šroubovitá
krátká, dle ISO: 4.2.
barva zlato-fialová
TiAlN
článkovitá tříska obloukovitá
dělená
dle ISO: 6.2.
barva zlato-hnědá
článkovitá tříska obloukovitá
dělená
dle ISO: 6.2.
barva zlato-hnědá
článkovitá tříska obloukovitá
dělená
dle ISO: 6.2.
barva zlato-hnědá
TiAlN - 400°C
článkovitá tříska obloukovitá
dělená
dle ISO: 6.2.
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
TiAlN - 800°C
článkovitá tříska spirálová
kuželovitá
dle ISO: 3.2.
barva zlato-fialová
článkovitá tříska spirálová
kuželovitá
dle ISO: 3.2.
barva zlato-fialová
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
TiAlSiN
TiAlSiN
1600,00
1400,00
1200,00
1000,00
Fx
Síla [N] 800,00
Fz
Fy
600,00
400,00
200,00
0,00
0:050:06
0:300:31
0:580:59
1:051:06
1:301:31
1:581:59
2:052:06
2:302:31
2:282:59
3:053:06
3:303:31
3:583:59
Čas soustružení [min:sek]
800
700
T brit max (°C)
T brit avg (°C)
T triska max (°C)
600
T (°C)
500
400
300
200
100
Termovizní systém ThermaCAM SC2000
0
0
0.5
1
1.5
2
t (min)
2.5
3
3.5
4
41/48
Soustružení
Celková síla F
2500,00
F [N]
2000,00
TiAlSiN
TiN
nACo
nACo400
nACo800
1500,00
1000,00
500,00
11
8
12
5
15
0
17
8
18
5
21
0
23
8
90
65
58
30
5
0,00
Čas T [sek]
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
Drsnost Ra [μm]
2
TiAlSiN
1,5
TiN
TiAlN
TiAlN 400
1
TiAlN 800
0,5
0
1
2
3
4
Doba soustružení T [m in]
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
61,1
Průběh tvrdosti pro řeznou destičku
s vrstvou TiN
Hodnota tvrdosti HRC
62
60
58
57,3
56,4
56,0
56
54
52
a
b
c
d
Jednotlivé časové oblasti
1,56
Průběh drsnosti pro řeznou destičku
s vrstvou TiN
Hodnota drsnosti Ra [ m]
1,6
1,27
1,22
1,2
0,75
0,8
0,4
0
a
b
c
Jednotlivé časové oblasti
d
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!