Koszalin University of Technology

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

Witold Gulbiński Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej

Politechnika Koszalińska

1

Koszalin University of Technology

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

Plan prezentacji

 Przyczyny i mechanizmy zużycia narzędzi do obróbki drewna  Warunki pracy narzędzia  Parametry opisujące zużycie  Charakter zużycia – przykładowe wyniki testów przemysłowych  Powłoki przeciwzużyciowe na narzędzia do obróbki drewna  Powłoki na bazie azotków metali (jednorodne, wielowarstwy, nanokompozyty)  architektura nanokompozytów  Powłoki na bazie węgla  architektura nanokompozytów  Projekt 2

Koszalin University of Technology

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

Mechanizmy zużycia narzędzi:



zużycie abrazyjne (ścierne)



zużycie udarowe

  

przegrzanie (odpuszczanie) korozja chemiczna korozja elektrochemiczna

Przyczyny zużycia narzędzi:  tarcie  występowanie wtrąceń mineralnych w drewnie    wysoka temperatura (niskie przewodnictwo cieplne) wilgotność materiału obrabianego obecność substancji organicznych (żywice) 3

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna A - zużycie adhezyjne B - zużycie mechaniczne C - zużycie ścierne D - zużycie cieplne E - zużycie przez utlenianie F - zużycie dyfuzyjne G - wysokotemperaturowa deformacja plastyczna König W., Horizons in manufacturing technology, University of Michigan, Michigan 1967 4

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna 5

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna F 3 Układ sił podczas skrawania drewna: F1 – grupa oporów wióra i ich wypadkowa F2 – grupa oporów ścinania i ich wypadkowa F3 – grupa sił reakcji materiału obrabianego 6

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Zużycie narzędzia: SV – skrócenie ostrza VB R – starcie powierzchni natarcia VB α – stępienie ostrza 7

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna 8

Koszalin University of Technology

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

Powłoka (I) na bazie azotków metali

9

Koszalin University of Technology

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

Powłoka (II) na bazie azotków metali

10

Koszalin University of Technology

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

Powłoka (III) na bazie węgla (ta-C)

część niepracująca 11

Koszalin University of Technology

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

Modyfikacja powierzchni narzędzi do obróbki drewna:



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



warstwy przeciwzużyciowe nanoszone technikami PVD

   

E

Wymagania:  wysoka adhezja  twardość 

V

wysoka wiązkość (toughness) ~

H

3

/E

2 dobre przewodnictwo cieplne odporność korozyjna odporność na utlenianie niskie tarcie  0  

f



d

 12

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Granica plastyczności J.Schiotz,Proceedings of the 22 th Riso International Symposium on Materials Science, Roskilde, Denmark (2001) 127.

13

Koszalin University of Technology

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

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 14

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna SiC, Si 3 N 4 , taC, aC:H 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. 15

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna A.A. Voevodin, J.S. Zabinski,

Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation

, Thin Solid Films 370 (2000) 223 –231.

J. Patscheider,

Nanocomposite Hard Coatings for Wear Protection

, MRS Bulletin, 28 (2003) 173 . 16

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna S.Veprek et al., Thin Solid Films, 476 (2005) 1–29

TiN/a-Si 3 N 4

17

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Wielowarstwy – supersieci  powłoki wielowarstwowe o grubości podpowłok 5-25 nm  podwyższona twardość i wiązkość,  podwyższona odporność na zużycie ścierne i korozję.

HSS/TiN/TaN Sture Hogmark, Staffan Jacobson, Mats Larsson, Design and evaluation of tribological coatings , Wear 246 (2000) 20–33. 18

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Wielowarstwy – supersieci Holleck H, Schier V. Multilayer PVD coatings for wear protection. Surf. Coat. Technol., 1995, 76-77: 328-336. 19

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Wielowarstwy – supersieci    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 20

Koszalin University of Technology

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

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.

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

21

Koszalin University of Technology

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

[J. Robertson]

J. Robertson, Materials Science and Engineering R 37 (2002) 129-281 22

Koszalin University of Technology

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

10 GPa [M. Chhowalla] 25 nm 100 nm

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

23

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna 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 sp 3 for as-deposited a-C:H.

fraction 24

Koszalin University of Technology

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

Nanokompozyty na bazie węgla

Ti Cr V Mo Ta Zr W Si

taC

Al Ni Co Cu Ag, Au Ti Cr V Mo Ta Zr W Si Al Ni Co Cu Ag, Au

taC:H aC:H

MeC x -taC Me-taC Me-taC:H MeC x -taC:H Me-aC:H MeC x -aC:H 25

Koszalin University of Technology

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

a) Nanocrystalline MeC x x

crystallites < 20 nm

Up to 10 % a-C:H (111) (200) (220) (311) (222) (400) (420) (422) MeC x Nanocomposite MeC-aC;H x

crystallites < 10 nm

10- 70 % a-C:H Powłoki nanokompozytowe typu XC/a-C:H krystality < 10 nm Nanocomposite MeC-aC;H x

crystallites < 4 nm

70- 95 % a-C:H aC:H (111) (200) (220) (311) (222) (400) (420) b) TiC d = 8-10nm

H = 32 GPa, μ = 0.35

Ti48

C40

H9(O,N.Ar)3

c) TiC-aC:H d = 4-6nm

H = 42 GPa, μ = 0.26

Ti38

C52

H6(O,N.Ar)4

d) TiC-aC:H d = <4nm

H = 15 GPa, μ = 0.06

Ti6

C72

H21(O,N.Ar)1 A. Czyżniewski et al., Journal of Materials Processing Technology 157–158 (2004) 274–283 26

Koszalin University of Technology

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

Metody nanoszenia warstw

  Rozpylanie magnetronowe (wieloźródłowe lub z targetów segmentowych), HIPIMS Rozpylanie wiązką jonową (z wielu targetów) 

Próżniowy łuk katodowy

Ti Cr V Mo Ta Zr W Si

taC

Al Ni Co Cu Ag, Au MeC x -taC Me-taC 27

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Si-taC films Filtered vacuum arc of graphite with simultaneous magnetron sputtering of Si.

Churl Seung Lee et al., Diamond and Related Materials 11 (2002) 198–203 28

Koszalin University of Technology

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

aSiC-taC

sp 3 /sp 2 Churl Seung Lee et al., Diamond and Related Materials 11 (2002) 198–203 29

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Me-taC, Me = Al, Ti sp 3 /sp 2

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) 30

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna TiC– aC:H nanocomposite films

C-Ti C 1s C-C

W. Gulbi ński et al., Applied Surface Science 239 (2005) 302 –310 31

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna TiC– aC:H nanocomposite films W. Gulbi ński et al., Applied Surface Science 239 (2005) 302–310 32

Koszalin University of Technology

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

Wykonawcy projektu:

Jan Staśkiewicz – kierownik Witold Gulbiński Tomasz Krzyżyński Jerzy Ratajski Jan Walkowicz Andrzej Czyżniewski Adam Gilewicz Roman Olik Tomasz Suszko Bogdan Warcholiński 33

Koszalin University of Technology

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna 34

Koszalin University of Technology

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

Dziękuję za uwagę

35