w itold gulbiński instytut mechatroniki, nanotechnologii i techniki próżniowej

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

11

"Powłoki przeciwzużyciowe "Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-nanoszone metodami próżniowo-

plazmowymi na narzędzia do plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna"obróbki drewna"

WWitold itold GulbińskiGulbiński Instytut Mechatroniki, Instytut Mechatroniki, NanotechnologiiNanotechnologii

i Techniki Próżnioweji Techniki Próżniowej

Politechnika KoszalińskaPolitechnika Koszalińska

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

22

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna

Plan prezentacjiPlan prezentacjiPrzyczyny i mechanizmy zużycia narzędzi do obróbki drewnaPrzyczyny i mechanizmy zużycia narzędzi do obróbki drewna

Warunki pracy narzędziaWarunki pracy narzędzia

Parametry opisujące zużycieParametry opisujące zużycie

Charakter zużycia – przykładowe wyniki testów przemysłowychCharakter zużycia – przykładowe wyniki testów przemysłowych

Powłoki przeciwzużyciowe na narzędzia do obróbki drewnaPowłoki przeciwzużyciowe na narzędzia do obróbki drewna

Powłoki na bazie azotków metali (jednorodne, wielowarstwy, Powłoki na bazie azotków metali (jednorodne, wielowarstwy, nanokompozyty)nanokompozyty)

architektura nanokompozytówarchitektura nanokompozytów

Powłoki na bazie węglaPowłoki na bazie węgla

architektura nanokompozytówarchitektura nanokompozytów

ProjektProjekt

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

33


Mechanizmy zużycia narzędzi:zużycie abrazyjne (ścierne)zużycie udaroweprzegrzanie (odpuszczanie)korozja chemicznakorozja elektrochemiczna

Przyczyny zużycia narzędzi:tarciewystępowanie wtrąceń mineralnych w drewniewysoka temperatura (niskie przewodnictwo cieplne)wilgotność materiału obrabianegoobecność substancji organicznych (żywice)

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

44


A - zużycie adhezyjneB - zużycie mechaniczneC - zużycie ścierneD - zużycie cieplne E - zużycie przez utlenianie F - zużycie dyfuzyjneG - wysokotemperaturowa

deformacja plastyczna

König W., Horizons in manufacturing technology, University of Michigan, Michigan 1967

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

55


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

66


F3

Układ sił podczas skrawania drewna:F1 – grupa oporów wióra i ich wypadkowaF2 – grupa oporów ścinania i ich wypadkowaF3 – grupa sił reakcji materiału obrabianego

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

77


Zużycie narzędzia:SV – skrócenie ostrzaVBR – starcie powierzchni natarciaVBα – stępienie ostrza

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

88


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

99


Powłoka (I) na bazie azotków metali

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

1010


Powłoka (II) na bazie azotków metali

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

1111


Powłoka (III) na bazie węgla (ta-C)

część niepracująca

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

1212


Modyfikacja powierzchni narzędzi do obróbki drewna:

warstwy dyfuzyjne (azotowanie plazmowe w układzie z aktywnym ekranem - ASPN)

warstwy przeciwzużyciowe nanoszone technikami PVD

Wymagania: wysoka adhezja twardość wysoka wiązkość (toughness) ~

H3/E2

dobre przewodnictwo cieplne odporność korozyjna odporność na utlenianie niskie tarcie

f

dV

E

0

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

1313


J.Schiotz,Proceedings of the 22 th Riso International Symposium on Materials Science, Roskilde, Denmark (2001) 127.

Granica plastyczności

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

1414

Koncepcja projektowania powłok nanokompozytowych o wysokiej wiązkości (toughness):

Rozmieszczenie krystalicznych nanometrycznych (3-10nm) wydzieleń w amorficznej matrycy ogranicza propagację dyslokacji oraz mikropęknięć.

Duży udział granic ziaren w materiale nanokrystalicznym sprzyja podwyższeniu plastyczności dzięki poślizgom po granicach ziaren.

Warstwa pośrednia/przejściowa (często z gradientem składu) powinna zapewniać wysoka adhezję i umożliwiać relaksację naprężeń.

A.A. Voevodin, Tsinghua Science and Technology, 10 (2005) 665-679


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

1515

A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation, Thin Solid Films 370 (2000) 223–231.


Veprek S. Conventional and new approaches towards the design of novel superhard materials. Surf. Coat. Technol., 1997, 97: 15-22.

SiC, Si3N4, taC, aC:H

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

1616

J. Patscheider, Nanocomposite Hard Coatings for Wear Protection, MRS Bulletin, 28 (2003) 173.

A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation, Thin Solid Films 370 (2000) 223–231.


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

1717


S.Veprek et al., Thin Solid Films, 476 (2005) 1–29

TiN/a-Si3N4

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

1818

Wielowarstwy – supersieci

powłoki wielowarstwowe o grubości podpowłok 5-25 nm podwyższona twardość i wiązkość, podwyższona odporność na zużycie ścierne i korozję.

Sture Hogmark, Staffan Jacobson, Mats Larsson, Design and evaluation of tribological coatings, Wear 246 (2000) 20–33.

HSS/TiN/TaNHSS/TiN/TaN


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

1919



Holleck H, Schier V. Multilayer PVD coatings for wear protection. Surf. Coat. Technol., 1995, 76-77: 328-336.

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

2020


powłoki wielowarstwowe o grubości podpowłok 5-25 nm podwyższona twardość i wiązkość, podwyższona odporność na zużycie ścierne i korozję.


A Escudeiro Santana, PhD thesis, EPFL Lausanne 2004

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

2121

A.C. Ferrari, J. Robertson, Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon, Phys. Rev. B 61 (20) (2000) 14095.

Powłoki na bazie węgla

Bombardowanie jonami, a szczególnie ich energia, decyduje o strukturze powłok na bazie węgla.

Bombardowanie jonowe prowadzi do zagęszczenia struktury przy równoczesnym indukowaniu bardzo wysokich naprężeń ściskajacych.

Wysokie naprężenia ściskajace są przyczyną delaminacji powłok po przekroczeniu grubości krytycznej.

Naprężenia te mogą być zredukowane na wiele sposobów.


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

2222

[J. Robertson]

J. Robertson, Materials Science and Engineering R 37 (2002) 129-281


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

2323

25 nm 100 nm

10 GPa

[M. Chhowalla]

1. M. Chhowalla, Diamond and Related Materials 10 (2001) 1011-1016.


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

2424

A.C. Ferrari, J. Robertson, Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon, Phys. Rev. B 61 (20) (2000) 14095.

G peak position and I(D)/I(G) ratio vs sp3 fraction for as-deposited a-C:H.


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

2525

taC

Al Ni Co Cu Ag, Au

Ti Cr V Mo Ta Zr W

MeCMeCxx-taC-taC Me-taCMe-taC

Si

taC:H aC:H

Ti Cr V Mo Ta Zr W

Me-taC:HMe-taC:HMeCMeCxx-taC:H-taC:H

Me-aC:HMe-aC:HMeCMeCxx-aC:H-aC:H

Al Ni Co Cu Ag, Au

Si


Nanokompozyty na bazie węgla

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

2626

(111)(200)(220)(311)(222)(400)(420)(422)

(111)(200)(220)(311)(222)(400)(420)

Nanocrystalline MeCxx

crystallites < 20 nm

Nanocomposite MeC-aC;Hx

crystallites < 10 nm

Nanocomposite MeC-aC;Hx

crystallites < 4 nm

Powłoki nanokompozytowe typu XC/a-C:H krystality < 10 nm

b) d)c)

a)

Up to 10 % a-C:H 10- 70 % a-C:H 70- 95 % a-C:H

MeCxaC:H

TiC d = 8-10nm

TiC-aC:Hd = 4-6nm

H = 32 GPa, μ = 0.35

Ti48C40H9(O,N.Ar)3

TiC-aC:Hd = <4nm

H = 42 GPa, μ = 0.26

Ti38C52H6(O,N.Ar)4

H = 15 GPa, μ = 0.06

Ti6C72H21(O,N.Ar)1

A. Czyżniewski et al., Journal of Materials Processing Technology 157–158 (2004) 274–283


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

2727

Rozpylanie magnetronowe (wieloźródłowe lub z targetów segmentowych), HIPIMS

Rozpylanie wiązką jonową (z wielu targetów)

Próżniowy łuk katodowy

taC

Al Ni Co Cu Ag, Au

Ti Cr V Mo Ta Zr W

MeCMeCxx-taC-taC Me-taCMe-taC

SiMetody nanoszeniawarstw


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

2828

Filtered vacuum arc of graphite with simultaneous magnetron sputtering of Si.

Si-taC films

Churl Seung Lee et al., Diamond and Related Materials 11 (2002) 198–203


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

2929

aSiC-taC

Churl Seung Lee et al., Diamond and Related Materials 11 (2002) 198–203

sp3/sp2


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

3030

B.K. Tay et al., Diamond and Related Materials 10 (2001) 1082-1087 (Al or Ti – taC)

D. Sheeja et al., Diamond and Related Materials 12 (2003) 2032–2036 (Al -taC)S. Zhang et al., Thin Solid Films 482 (2005) 138– 144 (Ti+Al – taC)

Me-taC, Me = Al, TiMe-taC, Me = Al, Ti

sp3/sp2

ncTiC-taCAl-taC


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

3131

C1s

C-C

C-Ti

W. Gulbiński et al., Applied Surface Science 239 (2005) 302–310

TiC– aC:H nanocomposite films


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

3232

W. Gulbiński et al., Applied Surface Science 239 (2005) 302–310

TiC– aC:H nanocomposite films


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

3333


Wykonawcy

projektu:Jan Staśkiewicz – kierownikWitold GulbińskiTomasz KrzyżyńskiJerzy RatajskiJan Walkowicz

Andrzej CzyżniewskiAdam GilewiczRoman OlikTomasz SuszkoBogdan Warcholiński

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

3434


Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Ced

zyn

a,

czerw

iec

20

11

Koszalin University

of Technology

3535

Dziękuję za uwagę


w itold gulbiński instytut mechatroniki, nanotechnologii i techniki próżniowej

Documents