Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej

Transkrypt

1 Politechnika Koszalińska ska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Optymalizacja, z wykorzystaniem metody Taguchi, parametrów wytwarzania powłok DLC metodą zmodyfikowanego katodowego odparowania łukowego M. Pancielejko, A. Czyżniewski, V. Zavaleyev, A. Pander, K. Wojtalik Projekt nr POIG /08. Program Operacyjny: Innowacyjna Gospodarka lata , Priorytet I: Badania i Rozwój Nowoczesnych Technologii, pn.: Hybrydowe technologie modyfikacji powierzchni narzędzi do obróbki drewna.

2 PLAN PREZENTACJI: Wprowadzenie Część doświadczalna Wytwarzanie powłok Metodyka badań właściwości powłok Metoda optymalizacji Właściwości powłok Eksperymenty weryfikujące Podsumowanie Literatura

3 Wprowadzenie Narzędzia stalowe pomimo szerokiego zastosowania twardych i super twardych materiałów skrawających są w dalszym ciągu stosowane w przemyśle drzewnym. Wyeliminowanie stali niskostopowych, stali szybkotnących lub stellitów ze względu na wymaganą geometrię narzędzi nie jest możliwe lub byłoby nieopłacalne. Właściwości wytrzymałościowe oraz kierunki rozwoju materiałów narzędziowych [Dobr-1990] Wytrzymałość i odporność na pękanie materiałów narzędziowych [Mill-1996]

4 Główne czynniki związane z trudnościami aplikacji powierzchniowych materiałowych modyfikacji narzędzi w przemyśle drzewnym: niedostateczna adhezja powłok do materiału bazowego zmiana właściwości materiału bazowego (podłoża) wynikająca z modyfikacji (zwiększenie jego kruchości) Działania, które mogą poszerzyć aplikację narzędzi modyfikowanych metodami próżniowo-plazmowymi: Poprawa adhezji poprzez zastosowanie przejściowej warstwy (na bazie metali i ich azotków lub tlenków). Zastosowanie powłok gradientowych lub układów wielowarstwowych Zastosowanie powłok trwałych termicznie o niskiej przewodności cieplnej Metody hybrydowe (np. azotowanie + powłoka PVD)

5 Modyfikacja narzędzi wykonanych ze stali narzędziowych i z węglików spiekanych, stosowanych w przemyśle drzewnym, polega głównie na wytwarzaniu na ich roboczych powierzchniach cienkich powłok (pojedyncze i wielowarstwowe): azotki i węgliki metali przejściowych (Ti, Cr, W), jedno i wieloskładnikowe, z dodatkami pierwiastków lekkich (Al, Si) [Endl-1999, Djou-1999, Bouz-2000, Kusi-2005, Rata-2009, Warc-2009, Pinh-2009] na bazie węgla [Antt-1995, Hako-1999, Endl-1999, Kami-2005, Shei-2003, Till-2009].

6 Rodzaje powłok na bazie węgla a-c amorficzny węgiel ta-c tetraedryczny amorficzny węgiel ta-c:h uwodorniony tetraedryczny amorficzny węgiel a-c:h uwodorniony amorficzny węgiel a-c:h:me nanokompozytowe modyfikowane metalami (Me Ti, W, Mo, Nb) a-c:h:mec nanokompozytowe modyfikowane węglikami metali (Me Ti, W, Mo, Nb) The Association of German Engineers, Report VDI 2840 (2006) J. Robertson, Materials Science and Engineering R 37 (2002) Zastosowane powłoki DLC Mieszanina fazy ta-c i fazy grafitopodobnej (graphitic C)

7 Właściwości powłok DLC decydujące o możliwości ich wykorzystania pokrywania narzędzi stosowanych do obróbki drewna i materiałów drewnopochodnych: Wysoka twardość (często > 50 GPa) Wysoka odporność na zużycie cierne (k v < 10-7 mm 3 /Nm) Możliwość grafityzacji pod wpływem temperatury i naprężeń obniżenie oporów tarcia Obojętność chemiczna (wysoka odporność korozyjna w środowisku wodnym) Niska temperatura wytwarzania metodami PVD (często < 200 C)

8 Narzędzia do obróbki drewna pokryte ta-c

9 Cel pracy Ustalenie optymalnych wartości wybranych parametrów wytwarzania powłok DLC metodą zmodyfikowanego katodowego odparowania łukowego, które zapewnią uzyskanie najkorzystniejszych ich właściwości z punktu widzenia zastosowania do pokrywania narzędzi do obróbki drewna.

10 Wytwarzanie powłok DLC Metoda zmodyfikowanego katodowego odparowania łukowego Urządzenie technologiczne C55CT Źródła łukowe z targetami grafitowymi INOVAP Innovative Vakuumund Plasmatechnik GmbH Dresden Uchwyty podłoży Obrót planetarny Źródło łukowe z targetem chromowym

11 Główne parametry technologiczne urządzenia C55CT Parametr Wyładowanie stałoprądowe -Natężenie prądu -Napięcie Impulsy prądowe - natężenie prądu (wartość szczytowa) - napięcie -częstotliwość powtarzania impulsów - czas trwania impulsów Ciśnienie - początkowe - robocze Zakres A V A V 100 Hz ~0,3 ms 10-3 Pa do 0,5 Pa Maksymalna temperatura < 200 C Napięcie polaryzacji podłoży Gazy technologiczne Odległość źródło - podłoża V Argon, azot, acetylen ~ 190 mm

12 Optymalizacja parametrów wytwarzania powłok DLC z wykorzystaniem planowania eksperymentu metodą Taguchi [Piet-99] Nr Optymalizowane parametry wytwarzania powłok DLC i przedziały ich zmienności Optymalizowany parametr Przedział zmienności Napięcie polaryzacji podłoży [V] pływający Ciśnienie argonu [Pa] 0,01 0,05 0,25 3 Grubość powłoki DLC [µm] 0,9 1,4 1,8 4 Grubość podwarstwy chromu [µm] 0,03 0,1 0,3 U B energia jonów (wpływ na właściwości powłoki) p Ar energia jonów (wpływ na właściwości powłoki) grubość powłoki DLC naprężenia własne (wpływ na adhezję) grubość podwarstwy Cr obniżenie naprężeń pomiędzy stalowym podłożem a powłoką DLC (wpływ na adhezję)

13 Nr eksperymentu Oznaczenie procesów Tablica eksperymentów Napięcie polaryzacji podłoży UB [V] Ciśnienie argonu par [Pa] Grubość powłoki DLC tdlc [µm] Grubość powłoki Cr t Cr [µm] 1 PC20 pływający 0,01 0,9 0,03 2 PC21 pływający 0,05 1,4 0,1 3 PC16 pływający 0,25 1,8 0,3 4 PC ,01 1,4 0,3 5 PC ,05 1,8 0,03 6 PC ,25 0,9 0,1 7 PC ,01 1,8 0,1 8 PC ,05 0,9 0,3 9 PC ,25 1,4 0,03 Parametry stałe: Temperatura podłoży < 150 C Trawienie Cr Trawienie C standard Obroty, układ planetarny 4min s (napięcie polaryzacji podłoży -580V)

14 Optymalizacja parametrów wytwarzania powłok DLC z wykorzystaniem planowania eksperymentu metodą Taguchi Analizę wyników badań wpływu wytypowanych parametrów wytwarzania powłok DLC na przyjęte kryteria optymalizacji przeprowadzono z wykorzystaniem modułu Doświadczenie wg metody Taguchi w programie Statistica (Statsoft Polska). Zastosowano współczynniki stosunku sygnału do szumu ETA (η = S/N) zaproponowane przez Taguchi ego w zależności od pożądanych właściwości powłoki DLC: - im większe - tym lepsze stosowany gdy celowe było zmaksymalizowanie pewnych pożądanych cech powłoki, - im mniejsze - tym lepsze gdy celowe było zminimalizowanie pewnych niepożądanych cech powłoki.

15 Optymalizacja parametrów wytwarzania powłok DLC z wykorzystaniem planowania eksperymentu metodą Taguchi Kryteria optymalizacji Główne: Obciążenie krytyczne L c max istotna jest adhezja powłok do podłoży narzędziowych. Twardość H max istotna ze względu na odporność na zużycie narzędzi. Pomocnicze: Współczynnik (H/E) max zachowanie wysokiej twardości z podatnością do odkształceń sprężystych powłoki razem z podłożem narzędziowym (odporność na pękanie). Wskaźnik odporności na zużycie przez tarcie k va min niskie zużycie narzędzi. Współczynnik tarcia f Smin niskie opory skrawania.

16 Badania właściwości powłok DLC Podłoża na których wytwarzano powłoki: noże strugarskie ze stali HS6-5-2, mm, szlifowane, próbki (noże) z węglika spiekanego WC, mm, próbki ze stali szybkotnącej HS6-5-2 (ø32 3 mm), polerowane, polerowane płytki krzemu Si (typ - n) o wymiarach ,5 mm.

17 Badania oraz stosowana aparatura badawcza Skład chemiczny - mikroanaliza rentgenowska EDS (INCA/SEM JEOL 5500 LV) Grubość powłok (t DLC, t Cr ) - profilografometr HOMMEL TESTER T SEM JEOL 5500 LV Naprężenia w powłoce Metoda Stoney a - σ s (profilografometr) Twardość podłoży i powłok - Mikrotwardościomierz (H, E) FISCHERSCOPE HM2000 XYp Adhezja powłok - metoda rysy (L c ) REVETEST Scratch Tester -test Rockwella(HF1 -HF6)

18 Badania tribologiczne Tester T01M Badania oraz stosowana aparatura badawcza - kula-tarcza (kule ø10mm z Al 2 O 3 ) -trzpień-tarcza (trzpienie ø3mm z suchego drewna sosnowego i bukowego) współczynnik tarcia (f) wskaźnik zużycia powłok (k v ) wskaźnik zużycia przeciwpróbek (k b ) Badania metalograficzne - Nikon Inverted Metallographic Microscope ECLIPSE MA200 - Nikon Measuring Microscope MM200)

19 Mikrofotografie SEM mikrostruktury powłok DLC z podwarstwą Cr DLC 0,9 µm Cr 0,03 µm DLC 1,4 µm Cr 0,1 µm DLC 1,8 µm Cr 0,3 µm

20 Skład chemiczny powłok DLC określony metodą EDS Nr eksperymentu Zawartość pierwiastka w powłoce % at. C O Ar 1 97,20 2,79 0, ,40 3,60 0, ,66 3,31 0, ,85 3,12 0, ,66 3,34 0, ,46 4,52 0, ,76 3,20 0, ,44 4,46 0, ,53 4,17 0,31

21 na nożu HS6-5-2 (eksp. nr 3 - PC16) Obrazy charakterystycznych uszkodzeń powłok DLC powstających podczas badania adhezji metodą rysy 0 50N L c2 =23,6N 0 50N na próbce z węglika spiekanego WC (eksp. nr 6 - PC19) L c3 = 29,9N

22 Optymalizacja parametrów wytwarzania powłok DLC Obciążenie krytyczne L c2 dla powłok DLC wytworzonych na szlifowanych nożach strugarskich ze stali HS6-5-2 Wyniki analizy statystycznej wpływu parametrów wytwarzania na obciążenie krytyczne L c2 Lp. L c2 [N] ,4 21,8 21,2 2 25,8 25,8 22,4 3 32,6 34,8 30,5 4 22,3 19,2 21, ,3 22,2 6 21,6 20,4 22,4 7 22,7 20,9 21,9 8 22,3 21, ,4 22,1

23 Optymalizacja parametrów wytwarzania powłok DLC Obciążenie krytyczne L c2 dla powłok DLC wytworzonych na polerowanych próbkach ze stali HS6-5-2 Wyniki analizy statystycznej wpływu parametrów wytwarzania na obciążenie krytyczne L c2 Lp. L c2 [N] ,4 18,9 16,7 2 14,6 15,3 13, ,7 23,6 4 16,9 15,2 30,7 5 12,8 14,7 23,8 6 11,6 15,2 12, , ,5 19,7 20,1 9 11,5 14,1 17

24 Optymalizacja parametrów wytwarzania powłok DLC Obciążenie krytyczne L c3 dla powłok DLC wytworzonych na próbkach z węglika spiekanego WC Wyniki analizy statystycznej wpływu parametrów wytwarzania na obciążenie krytyczne L c3 Lp. L c3 [N] ,6 37,5 51,5 2 27,4 28,8 28,9 3 22,4 23,6 25,7 4 32,7 27,5 29,2 5 21,6 24,4 27,4 6 29,9 29,9 26,5 7 32,4 34,6 27,2 8 30,9 33, , ,8

25 Optymalizacja parametrów wytwarzania powłok DLC Optymalne wartości parametrów wytwarzania dla uzyskania maksymalnej adhezji powłok DLC wytworzonych na różnych podłożach Lp. Rodzaj podłoża Napięcie polaryzacji podłoży U B [V] Optymalne wartości parametrów wytwarzania Ciśnienie argonu p Ar [Pa] Grubość powłoki DLC t DLC [µm] Grubość podwarstwy chromu t Cr [µm] 1 Nóż strugarski z HS6-5-2 pływający 0,25 1,8 0,3 2 Próbka z HS6-5-2 pływający 0,05 0,9 0,3 3 Próbka z węglików spiekanych WC (L c3 ) pływający 0,01 0,9 0,1

26 Optymalizacja parametrów wytwarzania powłok DLC Wyniki badań twardości (H) powłok DLC wytworzonych na polerowanych próbkach ze stali HS6-5-2 Wyniki analizy statystycznej wpływu parametrów wytwarzania na twardość powłok Lp. H [GPa] H1 H2 H3 1 32,57 34,36 37, ,28 32,25 33, ,32 23,08 35, ,44 54,12 66, ,51 37,25 43, ,51 33,72 35, ,24 61,15 64, ,83 44,2 63, ,1 41,58 42,17

27 Optymalizacja parametrów wytwarzania powłok DLC Stosunek H/E dla powłok DLC wytworzonych na polerowanych próbkach ze stali HS6-5-2 Wyniki analizy statystycznej wpływu parametrów wytwarzania na stosunek H/E Lp. H/E [-] H1/E1 H2/E2 H3/E3 1 0,119 0,121 0, ,109 0,117 0, ,100 0,089 0, ,140 0,140 0, ,117 0,130 0, ,115 0,115 0, ,139 0,146 0, ,125 0,146 0, ,126 0,128 0,128

28 Optymalizacja parametrów wytwarzania powłok DLC Wskaźnik zużycia powłoki (k va ) dla skojarzenia tarciowego: powłoka DLC na szlifowanym nożu strugarskim ze stali HS6-5-2 z ceramiką Al 2 O 3 Wyniki analizy statystycznej wpływu parametrów wytwarzania na odporność na zużycie powłoki Lp. kva 10-6 [m 3 /Nm] ,186 0,243 0, ,240 0,387 0, ,404 0,444 0, ,199 0,215 0, ,364 0,457 0, ,319 0,382 0, ,173 0,524 0, ,117 0,205 0, ,355 0,395 0,405

29 Optymalizacja parametrów wytwarzania powłok DLC Współczynnik tarcia suchego (f S ) dla skojarzenia tarciowego: powłoka DLC na szlifowanym nożu strugarskim ze stali HS z suchym drewnem sosnowym Wyniki analizy statystycznej wpływu parametrów wytwarzania na współczynnik tarcia suchego Lp. fs [-] ,54 0,55 0,55 2 0,62 0,62 0,62 3 0,41 0,41 0,41 4 0,40 0,40 0,40 5 0,52 0,53 0,53 6 0,58 0,58 0,58 7 0,64 0,63 0,64 8 0,57 0,58 0,58 9 0,68 0,67 0,68

30 Optymalizacja parametrów wytwarzania powłok DLC Optymalne wartości parametrów wytwarzania dla uzyskania maksymalnej twardości H oraz pomocniczych kryteriów oceny powłok DLC Lp. Pomocnicze kryterium oceny powłoki Napięcie polaryzacji podłoży U B [V] Optymalne wartości parametrów wytwarzania Ciśnienie argonu p Ar [Pa] Grubość powłoki DLC t DLC [µm] Grubość podwarstwy chromu t Cr [µm] 1 Twardość H -80 0,01 1,4 0,1 2 Stosunek H/E -80 0,01 1,4 0,3 3 Wskaźnik zużycia powłoki k va -80 0,01 0,9 0,3 4 Współczynnik tarcia f S -20 0,01 1,8 0,3

31 Optymalizacja parametrów wytwarzania powłok DLC Eksperymenty weryfikujące Na podstawie analizy wyników badań przeprowadzono trzy eksperymenty weryfikujące, stosując optymalne parametry pozwalające uzyskać: Maksymalną adhezję powłok DLC na nożach strugarskich ze stali HS6-5-2 W-L c2 Maksymalną adhezję powłok DLC na próbkach z węglików spiekanych WC W-L c3-wc Maksymalną twardość powłok DLC W-H

32 Adhezja powłok DLC wytworzonych w eksperymencie weryfikującym W-L C2 0 50N na nożu HS6-5-2 (eksp. W-L c2 ) L c2 =29,6N 35,7N Adhezja powłok DLC wytworzonych w eksperymencie weryfikującym W-L c3-wc 0 50N na próbce z węglika spiekanego WC (eksp. W-L c3-wc ) L c3 = 29,1N

33 Właściwości powłok DLC wytworzonych w eksperymencie weryfikującym W-L c2 Ozn. eksp. Parametry optymalne dla L c2 na nożu strugarskim z HS6-5-2 U B [V] p Ar [Pa] t DLC [µm] t Cr [µm] Podstawowe kryterium oceny: Obciążenie krytyczne L c2 [N] Dla noża HSS Dla próbki HSS Dla próbki WC Pomocnicze kryteria oceny H [GPa] W-L c2 pływający 0,25 1,8 0,3 30,2 23,7 14,7 20,92 0,091 0,57 H/E [-] f S [-] Skład chemiczny (EDS) C 96,44 %at. O 3,55 %at. Ar 0,02 %at. Test Rockwella (HF1) Współczynnik tarcia 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 f kv k b Wskaźnik zużycia [mm /Nm] Al 2 O 3 buk sosna 10-9 Mikrofotografia SEM przełomu powłoki Współczynnik tarcia oraz wskaźniki zużycia

34 Właściwości powłok wytworzonych w eksperymencie weryfikującym W-L c3-wc Ozn. eksp. Parametry optymalne dla L c3 na próbkach z węglików spiekanych WC U B [V] p Ar [Pa] t DLC [µm] t Cr [µm] Podstawowe kryterium oceny: Obciążenie krytyczne L c [N] Dla próbki WC Dla próbki HSS Dla noża HSS Pomocnicze kryteria oceny H [GPa] W-L c3-wc pływający 0,01 0,9 0,1 29,1-28,1 37,73 0,127 0,44 H/E [-] f S [-] Skład chemiczny (EDS) C 90,30%at. O 9,70%at. Ar 0,01%at. Test Rockwella (HF1-HF2) Współczynnik tarcia 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 f kv k b Wskaźnik zużycia [mm /N m] Al 2 O 3 buk sosna 10-9 Mikrofotografia SEM przełomu powłoki Współczynnik tarcia oraz wskaźniki zużycia

35 Ozn. eksp. Właściwości powłok wytworzonych w eksperymencie weryfikującym W-H Parametry optymalne dla H na nożu strugarskim z HS6-5-2 U B [V] p Ar [Pa] t DLC [µm] t Cr [Qm] Podstawowe kryterium oceny: Twardość H [GPa] Dla noża HSS Dla próbki HSS Dla próbki WC Pomocnicze kryteria oceny W-H -80 0,01 1,4 0,1 51,20 53,21-18,5 0,147 0,72 L c2 [N] H/E [-] f S [-] Skład chemiczny (EDS) C 89,86 %at. O 10,13 %at. Ar 0,01 %at. Test Rockwella (HF1) Współczynnik tarcia 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 f kv k b Wskaźnik zużycia [mm /Nm] Al 2 O 3 buk sosna 10-9 Mikrofotografia SEM przełomu powłoki Współczynnik tarcia oraz wskaźniki zużycia

36 Podsumowanie 1. Zastosowana metoda optymalizacji pozwala na uzyskanie wielu istotnych informacji w zakresie wpływu parametrów wytwarzania na właściwości powłok DLC, przy stosunkowo niskiej liczbie eksperymentów. 2. W zależności od zastosowanych parametrów wytwarzania możliwe jest uzyskanie powłok DLC w szerokim zakresie twardości GPa. 3. Istotny wpływ na adhezję powłok ma grubość powłoki DLC oraz podwarstwy Cr. Dla zapewnienia wysokiej adhezji do podłoży HS6-5-2 należy stosować grubą powłokę DLC (1,8 µm) oraz podwarstwę Cr (0,3 µm), natomiast dla węglika WC cienką powłokę DLC (0,9 µm) oraz podwarstwę Cr (0,03-0,1 µm). 4. Wszystkie powłoki DLC wytworzone na polerowanych próbkach HS6-5-2, niezależnie od parametrów wytwarzania, charakteryzują się wysoką adhezją określoną w teście Rockwella (HF1-HF2). 5. Na postawie analizy wyników badań ustalono bazowe procedury wytwarzania powłok DLC w urządzeniu C55CT dla narzędzi przeznaczonych do testów eksploatacyjnych. 6. Uzyskany materiał badawczy będzie pomocny w dalszych badaniach dotyczących optymalizacji procesu wytwarzania powłok DLC.

37 Literatura: [Ande-2003] J. Andersson et al., Surface and Coatings Technology (2003) [Antt-1995] A. Anttila et al, Mater. Lett. 24 (1995) [Bouz-2000] K.-D. Bouzakis et al., Surface and Coatings Technology (2000) [Büsc-2001] M. Büschel et al., Surface and Coatings Technology (2001) [Chho-2001] M. Chhowalla, Diamond and Related Materials 10 (2001) [Djou-1999] M.A. Djouadi et al., Surface and Coatings Technology (1999) [Dobr-1990] L. A. Dobrzański et al., Metaloznawstwo i obróbka cieplna materiałów narzędziowych, WNT, Warszawa (1990). [Endl-1999] I. Endler et al., Diamond and Related Materials 8 (1999) [Hako-1999] M. Hakovirta, Diamond and Related Materials 8 (1999) [Kami-2005] J. Kamiński, et al., Surface and Coatings Technology 200 (2005) [Kusi-2005] A. Kusiak et al., International Journal of Thermal Sciences 44 (2005) [Lau-2009] D.W.M. Lau et al., Carbon 47 (2009) [Mill-1996] B. Mills, Journal of Materials Processsing Technology 56 (1996) [Piet-99] J. Pietraszek, Metoda Taguchi optymalizacji jakości, StatSoft Polska [Pinh-2009] D. Pinheiro et al., Surface and Coatings Technology 203 (2009) [Rata-2009] J. Ratajski et al., Journal of AMME 37/2 (2009) [Robe-2002] J. Robertson, Materials Science and Engineering R 37 (2002) [Shei-2003] J.Y. Sheikh-Ahmad et al., Wear 255 (2003) [Schu-1998] B. Schultrich et al., Surface and Coatings Technology 98 (1998) [Till-2009] W. Tillmann et al., Surface and Coatings Technology 204 (2009) [VDI-2006] The Association of German Engineers, Report VDI 2840 (2006). [Voev-2005] A.A.Voevodin et al., Surface and Coatings Technology 197 (2005) [Warc-2009] B. Warcholiński et al., Inżynieria Materiałowa, 6 (2009) [Zhen-2005] B. Zheng et al., Carbon 43 (2005)

38 Politechnika Koszalińska ska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Dziękuj kuję za uwagę Projekt nr POIG /08. Program Operacyjny: Innowacyjna Gospodarka lata , Priorytet I: Badania i Rozwój Nowoczesnych Technologii, pn.: Hybrydowe technologie modyfikacji powierzchni narzędzi do obróbki drewna.