6. Podsumowanie i wnioski

Transkrypt

1 Kszta towanie struktury i w asno ci pow ok hybrydowych na rewersyjnie skr canych matrycach do wyciskania 6. Podsumowanie i wnioski Ustawicznym d eniem projektantów materia ów narz dziowych jest wola opracowania i wytworzenia idealnego narz dzia, które wykazywa oby maksymalnie mo liw odporno na zu ycie w warunkach pracy. Powszechno wykorzystywania takich produktów jak matryce do wyciskania sprawia, e koniecznym staje si nasilenie prac dotycz cych nie tylko doboru w a ciwego materia u na narz dzia, lecz tak e technologii nanoszenia na nich nowoczesnych pow ok zwi kszaj cych ich trwa o, jak równie opracowanie i zweryfikowanie ich w warunkach przemys owych. Innowacyjny post p w metodach intensywnego odkszta cenia plastycznego metali (SPD), w szczególno ci w obszarze wyciskania, doprowadzi do opracowania nowych postaci matryc pracuj cych w skrajnie niekorzystnych warunkach eksploatacyjnych. Jego specyfika stwarza zupe nie inne ograniczenia mo liwo ci kszta towania produktu w jednej operacji ni ma to miejsce w przypadku pozosta ych procesów obróbki plastycznej. Podczas wyciskania, wi kszo metali nie elaznych i ich stopów ma nieograniczon zdolno do odkszta ce plastycznych, wynikaj c z mo liwo ci trójosiowego ciskania z du ymi warto ciami napr e. Wszelkie ograniczenia wynikaj g ównie ze wzgl du na wytrzyma o i trwa o matryc [68, ]. W a ciwa interpretacja wzajemnych zale no ci pomi dzy w asno ciami i struktur warstwy wierzchniej i pod o a oraz czynnikami zewn trznymi pozwala w szerszej perspektywie dokona analizy i precyzyjnej identyfikacji mechanizmów niszczenia, jakie wyst puj w g ównej mierze na powierzchni narz dzi. Kluczowym zagadnieniem wydaje si by tak e zapewnienie jednoczesnego rozwoju zarówno technologii wytwarzania i obróbki materia ów narz dziowych, a w szczególno ci technologii kszta towania i zabezpieczania ich powierzchni, co w konsekwencji pozwoli na zachowanie równowagi pomi dzy materia em pod o a i pow ok ochronn. Wyniki bada w asnych oraz studiów literaturowych wskazuj, e rozwi zania wyst puj cych problemów zwi zanych z trwa o ci matryc do plastycznego kszta towania metali nie elaznych pracuj cych w ekstremalnie trudnych warunkach eksploatacyjnych upatruje si g ównie w kszta towaniu w asno ci fizykochemicznych powierzchni narz dzi. Zastosowanie technologii obróbki powierzchniowej materia ów narz dziowych metodami fizycznego osadzania z fazy gazowej PVD, a w wyselekcjonowanych przypadkach i chemicznego CVD, dla uzyskania warstw o du ej odporno ci na zu ycie, równie w wysokiej temperaturze 6. Podsumowanie i wnioski 123

2 Open Access Library Volume 10 (16) 2012 pozwala na popraw w asno ci tych materia ów w warunkach wyciskania, m.in. w wyniku zmniejszenia wspó czynnika tarcia, poprawy warunków kontaktu trybologicznego w obszarze styku narz dzie-materia obrabiany, a tak e zabezpieczenia przed zu yciem adhezyjnym. Na podstawie analizy stosowania matryc w procesie wyciskania z rewersyjnie skr can matryc, który jako jedyny pozwala na kszta towanie trudnoodkszta calnych materia ów metalicznych z bardzo du ymi stopniami przerobu przy niskiej temperaturze i ze znacznymi pr dko ciami oraz uwarunkowa trybologicznych uk adu matryca-wyciskany materia zaistnia a konieczno opracowania w asnego programu badawczego. Umo liwia on zastosowanie skutecznej metodologii kszta towania i kontrolowania w asno ci u ytkowych narz dzi z naniesionymi na ich powierzchni warstwami ochronnymi (rys. 14, 108). Algorytm post powania zawiera podstawowe etapy obejmuj ce niezb dne do wykonania technologie oraz badania struktury i w asno ci matryc. W wietle dotychczas przeprowadzonych bada za uzasadnion nale y uzna tez, e o trwa o ci matryc do plastycznego kszta towania metali w procesie wyciskania modyfikowanych poprzez wytwarzanie pow ok ochronnych o z o onej strukturze wielowarstwowej decyduje prawid owe ukszta towanie struktury, w asno ci mechanicznych i trybologicznych oraz synergia poszczególnych warstw. We wst pnym etapie opracowano technik kszta towania przyj tej do bada postaci matrycy, co wymaga o przeprowadzenia analizy i wst pnych eksperymentów weryfikuj cych jej cechy materia owe i u ytkowe. Do ustalenia kszta tu i cech u ytkowych matryc wykorzystano wieloletnie do wiadczenie Katedry Struktury i Mechaniki Cia a Sta ego Akademii Górniczo- Hutniczej w Krakowie. Zwi kszenie trwa o ci eksploatacyjnej i u ytkowej wykonanych matryc ze stali narz dziowej do pracy na gor co X40CrMoV5-1 mo liwe jest w wyniku modyfikacji ich warstwy wierzchniej technik osadzania z fazy gazowej, co udowodniono w ramach obszernych bada w asnych. W celu uzyskania odpowiednich w asno ci dobór warunków wytwarzania warstw ustalono na podstawie wst pnych bada mikrotwardo ci oraz odporno ci trybologicznej. Dla przyj tej postaci matrycy z wytworzonymi warstwami ochronnymi wykonano analiz numeryczn uk adu matryca-wyciskany materia. Modelowanie tego uk adu ze wzgl du na wspó zale no si y wyciskania, momentu skr caj cego, pr dko ci wyciskania, jak równie dwóch dodatkowych parametrów, tj. k ta i cz stotliwo ci skr cania matrycy jest zagadnieniem z o onym. Obliczenia pozwoli y na wyznaczenie rozk adu napr e zredukowanych, zarówno 124 K. Lukaszkowicz

3 Kszta towanie struktury i w asno ci pow ok hybrydowych na rewersyjnie skr canych matrycach do wyciskania w warstwach, jak i matrycy oraz rozk adu przemieszcze poszczególnych elementów, co przedstawiono w p. 5.1 (rys ). Najistotniejszym dla tak postawionej tezy by o porównanie trwa o ci matryc pokrytych opracowanymi pow okami w warunkach eksploatacyjnych. Badania kinetyki wyciskania metod KOBO, jak i wp ywu warunków procesu na trwa o matryc i w asno ci mechaniczne uzyskiwanych produktów sta y si przes ankami do wyboru parametrów eksperymentów przeprowadzanych na potrzeby niniejszego opracowania. Zrezygnowano z kosztownych i czasoch onnych bada polegaj cych na wyciskaniu materia ów przy standardowo stosowanych warunkach procesu. Wykonano natomiast badania w ekstremalnie trudnych warunkach, niespotykanych (ale mog cych zaistnie ) zarówno w praktyce przemys owej jak i w badaniach laboratoryjnych, ze wzgl du na stosowanie wysokich pr dko ci wyciskania, jak równie du ych stopni przerobu. Do wyciskania, na podstawie wyników bada wst pnych wyselekcjonowano odpowiednie pow oki oraz u yto stop EN AW-7075 nale cy do grupy materia ów trudnoodkszta calnych. Z przeprowadzonych eksperymentów wynika, e w przypadku matryc z wytworzonymi na ich powierzchni warstwami CrAlSiN+DLC oraz AlTiCrN+DLC stwierdzono 3-krotny wzrost trwa o ci eksploatacyjnej w porównaniu do matryc stosowanych standardowo podczas wyciskania, czyli ulepszanych cieplnie i azotowanych (tabl. 10, 11). Jako powierzchni wyciskanego stopu jest bardzo dobra (rys. 47). Przeprowadzone obserwacje wykaza y, e g ównymi formami zniszczenia analizowanych matryc jest zu ycie cierne oraz cierno-adhezyjne. Dotychczas prowadzone prace [54, 56, 145] wskazuj na zale no ci pomi dzy w asno ciami mechanicznymi materia ów wyciskanych a warunkami procesu. Wynika z nich, e w asno ci mechaniczne silnie zale od sposobu i warunków wyciskania. Produkty wyciskane w sposób konwencjonalny cechuj si stabilno ci w asno ci mechanicznych na ich d ugo ci. W procesie wyciskania metod KOBO istniej dwa dodatkowe parametry tj. k t i cz stotliwo skr cania matrycy. Zmieniaj c cz stotliwo rewersyjnego skr cania matrycy mo na bezpo rednio ingerowa w przebieg procesu. Eksperymenty zwi zane z bezpo rednim pomiarem temperatury w trakcie wyciskania zarówno w sposób konwencjonalny jak i metod KOBO dowiod y, e si a wyciskania jest czynnikiem warunkuj cym poziom w asno ci wytrzyma o ciowych i plastycznych materia u, a tak e ich stabilno na d ugo ci badanego produktu [49, 54, 145, ]. Przeprowadzone eksperymenty potwierdzi y s uszno prowadzenia wyciskania metod KOBO ze sta si. Najwy szymi w asno ciami wytrzyma o ciowymi cechuj si druty 6. Podsumowanie i wnioski 125

4 Open Access Library Volume 10 (16) 2012 wyciskane przy u yciu matryc z pow okami AlTiCrN+DLC oraz CrASiN+DLC. Stosowanie opracowanych pow ok umo liwia uzyskiwanie stabilnych i jednorodnych w asno ci na ca ej d ugo ci badanych produktów. Wymaga to jednak odpowiedniego doboru warunków wyciskania. W niniejszej pracy zastosowano sztuczne sieci neuronowe do modelowania zale no ci mi dzy warunkami wyciskania metod KOBO, a w asno ciami gotowego produktu: umown granic plastyczno ci R 0,2, wytrzyma o ci na rozci ganie R m i wyd u eniem A (tablica 12, rys ). Wykorzystano wyniki prac w asnych, a tak e dane zawarte w pracy [190]. Zbli one warto ci wska ników oceny jako ci obliczone odpowiednio dla zbiorów: ucz cego i walidacyjnego potwierdzaj zdolno uogólnienia wiedzy pozyskanej podczas procesu uczenia. Opracowany model mo e by stosowany do obliczania w asno ci produktów z aluminium i jego stopów wytworzonych podczas wyciskania metod KOBO. W celu pe nej charakterystyki u ytkowej i eksploatacyjnej analizowanych pow ok wykonano test odporno ci na zu ycie cierne pow ok metod kula-tarcza (rys , tabl ). W wyniku przeprowadzonych bada stwierdzono, e najmniejsz warto wspó czynnika tarcia wykazuj pow oki z warstw niskotarciow DLC, co koresponduje z danymi uzyskanymi z prób wyciskania, gdzie najwi ksz trwa o eksploatacyjn stwierdzono równie w odniesieniu do pow ok z warstw DLC. O przydatno ci proponowanych pow ok modyfikuj cych powierzchnie robocze matryc w znacznym stopniu decyduje ich sk ad chemiczny oraz struktura. Dlatego w kolejnym etapie pracy wykonano badania sk adu chemicznego i struktury poszczególnych warstw. Ma a grubo wytworzonych warstw PVD oraz niskotarciowych wymaga a zastosowania metod badawczych charakteryzuj cych si du dok adno ci pomiarow. Analiza sk adu chemicznego wykonana metod spektroskopii fotoelektronów wzbudzonych promieniowaniem rentgenowskim wykaza a w przypadku warstw wytworzonych technik PVD równowagowe st enie azotu i pierwiastków metalicznych tworz cych warstwy. W przypadku warstwy DLC zmienne st enie krzemu na przekroju poprzecznym warstwy (rys , tablica 13) stwarza dodatkowe mo liwo ci zwi kszenia w asno ci mechanicznych i u ytkowych. Strefa zewn trzna warstwa amorficznego uwodornionego w gla a-c:h, charakteryzuj ca si brakiem krzemu, wykazuje niski wspó czynnik tarcia. Zwi kszenie st enia Si w strefie wewn trznej, powoduje uzyskanie warstwy a-c:h:si, o niskiej warto ci napr e wewn trznych, zwi kszonej odporno ci na dzia anie wysokiej temperatury oraz lepszej adhezji, co jest szczególnie istotne ze wzgl du na bezpo rednie przyleganie do twardej warstwy 126 K. Lukaszkowicz

5 Kszta towanie struktury i w asno ci pow ok hybrydowych na rewersyjnie skr canych matrycach do wyciskania azotkowej. Badania z u yciem transmisyjnej mikroskopii elektronowej wykaza y amorficzny charakter warstw niskotarciowych DLC oraz MoS 2. W przypadku warstw wytworzonych technik PVD wielko i kszta t ziarn okre lono w oparciu o struktur otrzyman przy wykorzystaniu techniki pola ciemnego oraz na podstawie uzyskanych dyfrakcji elektronowych, które wiadczy y o nanokrystalicznej strukturze analizowanych warstw i wielko ci ziarn mieszcz cych si w przedziale od 5 do 10 nm. W przypadku warstwy CrAlSiN zaobserwowano ma e krystaliczne ziarna o wielko ci kilku nanometrów osadzonych w amorficznej osnowie Si 3 N 4, co mo e wiadczy o strukturze nanokompozytowej tej warstwy [ ]. Analiza stanu chemicznego pierwiastków dokonana na podstawie bada technik spektroskopii AES i XPS wiadczy o wysokiej jako ci chemicznej wytworzonych warstw. Zastosowanie mikroskopii si atomowych pozwoli o ustali chropowato powierzchni pow ok oraz okre li wspó czynnik rozwini cia powierzchni. Analiza sk adu fazowego warstwy DLC metod spektroskopii ramanowskiej ujawni a obecno wi za charakterystycznych dla diamentu (typu sp 3 ) oraz grafitu (sp 2 ), co nie odbiega od danych przytaczanych w literaturze [ ]. Ostatnim etapem prac laboratoryjnych by a ocena przyczepno ci opracowanych pow ok do materia u pod o a. Istot wysokiej przyczepno ci wytworzonych pow ok do powierzchni matryc oraz mi dzy poszczególnymi warstwami w pow okach, jak równie mo liwo ci ich synergicznego wspó dzia ania jest istnienie stref przej ciowych w przypadku ka dej z pow ok, które zosta y dok adnie scharakteryzowane w p z wykorzystaniem mikroskopii elektronowej transmisyjnej i skaningowej (rys ), jak równie w p z wykorzystaniem spektroskopii fotoelektronów rentgenowskich (XPS) i elektronów Augera (AES) rys , oraz w p z zastosowaniem spektroskopu wy adowania jarzeniowego (GDOS) rys Wykonane badania wskazuj na istnienie obszarów przej ciowych o zmiennym st eniu pierwiastków wyst puj cych pomi dzy poszczególnymi warstwami tworz cymi strefy przej ciowe, wp ywaj cych na zwi kszenie przyczepno ci nanoszonych pow ok do pod o a. Nale y s dzi, e obszary te tworz si przy udziale dyfuzji [ ]. Ich powstanie mo na tak e wi za z dzia aniem jonów o du ej energii powoduj cych przemieszczanie si pierwiastków w strefie po czenia, zwi kszenie desorpcji powierzchni oraz powstawanie defektów w pod o u lub poszczególnych warstwach, co odnotowano tak e w pracach [201, 202]. Z istnieniem stref przej ciowych nale y wi za dobr przyczepno do pod o a naniesionych pow ok. wiadczy o tym mog wysokie warto ci obci enia krytycznego L C2 6. Podsumowanie i wnioski 127

6 Open Access Library Volume 10 (16) 2012 (rys , tabl. 21) analizowanych pow ok. Mechanizm uszkodzenia warstw ujawniony w wyniku przeprowadzenia testu przyczepno ci zwi zany jest z p kni ciami w kszta cie uku wywo anymi rozci ganiem oraz z uszczaniem wyst puj cym na dnie tworz cej si rysy. Pomiary napr e wewn trznych analizowanych pow ok wykonano metod rentgenowsk sin 2 oraz multirefleksyjn metod g-sin 2. We wszystkich badanych pow okach wyst puj ujemne ( ciskaj ce) napr enia wewn trzne (tabl. 20), maj ce istotny wp yw na wzrost w asno ci trybologicznych oraz wytrzyma o ciowych, w tym przyczepno ci pow ok do pod o a, co jest zgodne z wcze niejszymi doniesieniami literaturowymi [172, 183, 203]. Analiz tekstury badanych pow ok wykonano metod figur biegunowych. W prezentowanej pracy wykonano pe n analiz rozk adu orientacji dla warstw wytworzonych technik PVD, przeprowadzaj c jako ciow i ilo ciow analiz tekstury. Badania rentgenowskie wykaza y uprzywilejowan orientacj ich wzrostu <311> zró nicowan pod wzgl dem udzia ów obj to ciowych zidentyfikowanych sk adowych tekstury. Przeprowadzone liczne interdyscyplinarne badania i analizy z zakresu materia oznawstwa, technologii wytwarzania oraz technik komputerowych potwierdzi y s uszno przyj tej w rozprawie tezy. Uzyskane wyniki da y podstaw do ukszta towania struktury i w asno ci trybologicznych matryc kontrolowanymi warunkami procesu technologicznego. Stwierdzi mo na, e uzyskano wymagan finaln jako i trwa o narz dzi do plastycznego kszta towania metali w procesie wyciskania, któr sprawdzono w warunkach eksploatacyjnych. Oryginalnym osi gni ciem by o opracowanie wytwarzanej w jednym procesie dwuwarstwowej pow oki, sk adaj cej si z wewn trznej twardej warstwy PVD zapewniaj cej odpowiedni twardo, wytrzyma o, ma przewodno ciepln i ograniczaj c wp yw czynników zewn trznych na proces niszczenia matryc do wyciskania metali nie elaznych oraz zewn trznej warstwy niskotarciowej zapewniaj cej dobre w asno ci trybologiczne, co w po czeniu z odpowiednim ukszta towaniem strefy przej ciowej pomi dzy materia em pod o a a pow ok, jak równie pomi dzy poszczególnymi warstwami w pow oce, zapewniaj cej odpowiednio wysok przyczepno, umo liwi o zwi kszenie trwa o ci eksploatacyjnej matryc, co zosta o wykazane w pracy. Zarówno interpretacja fizykalna zjawisk towarzysz cych tworzeniu i eksploatacji warstw wierzchnich, wykonane badania struktury i w asno ci oraz charakteru po czenia wyst puj cego pomi dzy opracowanymi warstwami a rdzeniem pokrytego narz dzia, jak równie otrzymane 128 K. Lukaszkowicz

7 Kszta towanie struktury i w asno ci pow ok hybrydowych na rewersyjnie skr canych matrycach do wyciskania rezultaty z przeprowadzonych prób wyciskania stanowi znacz cy wk ad do wiedzy o materia ach narz dziowych z ukonstytuowanymi na ich powierzchni warstwami o du ej odporno ci na zu ycie oraz procesach plastycznego kszta towania metali nie elaznych. Na podstawie otrzymanych wyników bada eksperymentalnych oraz wykonanych analiz sformu owano nast puj ce wnioski: 1. Dowiedziona zosta a teza pracy, gdy wykazano, e wymagane cechy u ytkowe matryc do plastycznego kszta towania metali w procesie wyciskania s efektem prawid owego ukszta towania struktury, w asno ci mechanicznych i trybologicznych pow ok typu twarda warstwa nanokrystaliczna cienka warstwa niskotarciowa w wyniku synergicznego ich wspó dzia ania w procesie eksploatacji. 2. Wytworzenie na powierzchni narz dzi do plastycznego kszta towania metali nie elaznych w procesie wyciskania warstw spe niaj cych ci le okre lone funkcje przy jednoczesnym prawid owym ukszta towaniu strefy po czenia mi dzy pod o em a pow ok, jak równie pomi dzy poszczególnymi warstwami w pow okach oraz korzystny rozk ad napr e zapewniaj zwi kszenie przyczepno ci pow ok do materia u pod o a oraz wzrost trwa o ci matryc w trakcie eksploatacji. 3. Potwierdzono skuteczno narz dzi komputerowych w obszarze in ynierii materia owej. Analiza numeryczna uk adu pow oka materia pod o a z wykorzystaniem metody elementów sko czonych w warunkach symuluj cych proces wyciskania umo liwi a dobór cech geometrycznych oraz w asno ci materia u przeznaczonego na matryce, którego poprawno zosta a zweryfikowana w testach eksploatacyjnych. Opracowane wykresy wp ywu warunków wyciskania na warto si y wyciskania i momentu skr caj cego, wp ywu warunków procesu na w asno ci produktu, a tak e wp ywu temperatury, cz stotliwo ci rewersyjnego skr cania matrycy i pr dko ci stempla na w asno ci produktu z wykorzystaniem sieci neuronowych pozwoli y na opracowanie modelu zale no ci pomi dzy w asno ciami aluminium i jego stopów wytworzonych podczas wyciskania metod KOBO, a warunkami wyciskania. Wyniki otrzymane w odpowiedzi sieci, umo liwi y pe n integracj wiedzy materia oznawczej i narz dzi informatycznych, wykazuj c zgodno modelu po symulacji z wynikami wykonanych eksperymentów, co równie potwierdza s uszno przedstawionych analiz komputerowych eliminuj cych konieczno wykonywania kosztownych i czasoch onnych bada do wiadczalnych. 6. Podsumowanie i wnioski 129

8 Open Access Library Volume 10 (16) Badania eksploatacyjne matryc do plastycznego kszta towania metali nie elaznych z naniesionymi na ich powierzchni pow okami w warunkach pracy wskazuj nie tylko na wzrost trwa o ci pokrytych nimi elementów, ale równie na wzrost w asno ci wytrzyma- o ciowych wyciskanych produktów z metali nie elaznych w zale no ci od zastosowanego typu pow oki. 130 K. Lukaszkowicz