PODWYŻSZANIE TRWAŁOŚCI EKSPLOATACYJNEJ NARZĘDZI DO OBRÓBKI DREWNA IMPROVMENT OF DURABILITY OF ENGINEERING TOOLS FOR WOOD

Transkrypt

1 BOGDAN WARCHOLIŃSKI 1, ADAM GILEWICZ 1, WALDEMAR SZYMAŃSKI 2, GRZEGORZ PINKOWSKI 2, ROMAN OLIK 1 PODWYŻSZANIE TRWAŁOŚCI EKSPLOATACYJNEJ NARZĘDZI DO OBRÓBKI DREWNA IMPROVMENT OF DURABILITY OF ENGINEERING TOOLS FOR WOOD STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań powłok wielowarstwowych CrCN/CrN o grubości modułu 400 nm i równym podziale grubości warstw CrCN i CrN w module, nanoszonych metodą katodowego odparowania łukowego. Powłoki nakładano na noże, wykonane ze stali SW7M i węglików spiekanych HM, do głowic strugarskich stosowane w obróbce drewna. Powłoki charakteryzują się wysoką twardością, 25 GPa, wysoką przyczepnością do podłoża, około 105 N i stosunkowo niskim współczynnikiem tarcia 0,5. Wyniki półprzemysłowych badań eksploatacyjnych wskazują na poprawę trwałości narzędzi z powłokami, a także poprawę jakości obrabianego materiału. Badania laboratoryjne właściwości tribologicznych powłok CrN osadzanych na podłożach: ze stali SW7M oraz poddanej azotowaniu stali SW7M wskazują na wyższość kompozytu powłoka-stal azotowana. Słowa kluczowe Powłoka PVD, azotowanie, obróbka drewna, duplex. SUMMARY The paper presents the results of the tests of CrCN/CrN multilayer coatings with a thickness of module of 400 nm and an equal thickness of the CrN and CrCN layers in a module deposited by cathodic arc evaporation. The coatings were deposited on planer knives from SW7M steel and HM carbide, used in the woodworking. Coatings are characterized by high hardness, 25 GPa, high adhesion to the substrate, about 105 N and a relatively low coefficient of friction Results of semi-industrial tests show an improvement in durability of coated tools, as well as improving the quality of the workpiece. Laboratory studies of tribological properties of CrN coatings deposited on substrates: HS6-5-2 steel and nitrided HS6-5-2 steel show the superiority of the composite system coating PVD-nitrided steel. Key words PVD coating, nitriding, wood machining, duplex. 1. WPROWADZENIE W procesie użytkowania narzędzia narażone są na różne czynniki zużycia, m.in. korozję, tarcie i zmęczenie. Zależną one głównie od środowiska pracy narzędzia, ale także rodzaju obróbki, obrabianego materiału i narzędzia. Prawidłowość doboru warunków współpracy elementów w węźle tarcia jest określona przez trwałość eksploatacyjną. Drewno i tworzywa drewnopochodne są materiałami o zróżnicowanej budowie, co powoduje wiele trudności związanych z ich obróbką. Rosnące wymagania przemysłu związane z wydajnością i szybkością procesów obróbki powodują, że problem trwałości i niezawodności narzędzi skrawających stał się niezwykle istotny. Nie wszystkie materiały narzędziowe, które udowodniły swoją przydatność w obróbce metalu, sprawdzają się także w obróbce drewna. Decydują o tym odmienne mechanizmy zużycia. Przy- 1 Politechnika Koszalińska 2 Uniwersytet Przyrodniczy, Poznań INŻYNIERIA POWIERZCHNI NR

2 spieszone zużycie narzędzi występuje zwłaszcza podczas obróbki materiałów drewnopochodnych. Spowodowane jest to, w porównaniu z drewnem litym, dużą gęstością materiału, zawartością substancji mineralnych, klejów i wypełniaczy oraz niewielką wilgotnością. Warunki powyższe (parametry obróbki i charakter materiału) znacząco ograniczyły stosowanie narzędzi ze stali HSS na rzecz trwalszych, ale i znacznie droższych materiałów skrawnych, węglików spiekanych polikrystalicznego diamentu. Wkładki węglikowe są tańsze, ale nie wykazują tak dobrych właściwości jak narzędzia z polikrystalicznym diamentem. Prowadzone są prace nad modyfikacją narzędzi wykonanych ze stali szybkotnącej celem zwiększenia ich trwałości bez znaczącego wzrostu ceny. Aktualnie dąży się do wyeliminowania cieczy chłodząco-smarujących z procesów technologicznych ze względu na czynniki ekonomiczne i wymogi ekologii. W około 80% wszystkich operacji obróbki skrawaniem metali na świecie stosowane są narzędzia z twardymi powłokami. Najczęściej stosowane są powłoki na bazie tytanu, chromu i aluminium. Powłoki takie poprawiają odporność na zużycie narzędzi skrawających [1], [2]. Charakteryzują się one wysoką twardością [3], stosunkowo niskim współczynnikiem tarcia [4], [5], dobrą przyczepnością do podłoża [5], wykazują stabilność chemiczną, wysoką odporność na utlenianie i odporność na korozję [6]. Wykazano także, że powłoki mogą zmniejszać ilość ciepła wytwarzanego w procesie skrawania na skutek tarcia, a tym samym zwiększać trwałość ostrzy narzędzi [7]. Rech i inni [8] stwierdzają, że powłoki na bazie tytanu nałożone na wkładki z węglika spiekanego zmniejszają wielkość strumienia ciepła przechodzącego przez powłokę od 17 do 30 % w zależności od jej składu chemicznego. Test prowadzono na tokarce numerycznej podczas skrawania stali 27MnCr5 z tak dobranymi parametrami, by uniknąć narostów na krawędzi prędkość skrawania 200 m/min, posuw 0,1 m/obr. Kusiak i inni [9] obserwowali wpływ powłoki CrN na zmianę strumienia ciepła podczas skrawania obwodowego. W zależności od parametrów obróbki zastosowanie CrN obniżało ilość energii cieplnej wydzielanej na narzędziu od 20 do 38 %, natomiast moc mechaniczna była niższa od 10 do 46 %. Jednakże samo stosowanie powłok PVD nie zapewnia optymalnej trwałości narzędzia ze względu na twardość podłoża. Dodatkowa obróbka materiału podłoża, obróbka cieplna lub cieplno-chemiczna, zwiększa twardość warstwy wierzchniej narzędzia i umożliwia stosowanie wyższych obciążeń [2]. Azotowanie jest jedną z najbardziej znanych i rozpowszechnionych technologii, poprawy właściwości warstwy wierzchniej narzędzi, stosowanych w przemyśle. Właściwości te wynikają z wysokiej twardości, żarowytrzymałości, odporności na zacieranie i zużycie adhezyjne oraz stykowe, odporności na korozję, wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej azotowanego elementu. Tworzenie się nowych faz w warstwie wierzchniej azotowanych elementów powiększa jej objętość, co powoduje powstanie naprężeń ściskających i w konsekwencji podwyższenie wytrzymałości zmęczeniowej [10]. Wiele prac z dziedziny azotowania dotyczy metod regulowanego wytwarzania warstw o różnicowanej strukturze, mających na celu poszukiwanie możliwie najwyższych właściwości użytkowych warstw [10-14]. Obróbka powierzchniowa typu duplex polega na azotowaniu narzędzia lub innego elementu, a następnie naniesieniu powłoki PVD celem zwiększenia ich trwałości. W celu wytworzenia kompozytów warstwa azotowana/powłoka PVD stosowane są dwa różne warianty technologiczne. W pierwszym z nich proces azotowania i proces nakładania powłoki przeciwzużyciowej PVD realizowane są oddzielnie w różnych urządzeniach. W drugim wariancie oba te procesy realizowane są w jednym specjalnie do tego celu zaprojektowanym urządzeniu. Oba warianty umożliwiają wytworzenie kompozytów o porównywalnych właściwościach [15]. Addytywny efekt synergiczny występujący w tej złożonej obróbce powierzchniowej, przejawiający się w niższym współczynniku tarcia i wskaźniku zużycia powłoki oraz poprawie przyczepności powłoki do podłoża przedstawiono w wielu pracach [16-19]. W pracy zawarte są wyniki badań powłok wielowarstwowych CrCN/CrN o grubości dwuwarstwowego modułu 400 nm i równym podziale grubości warstw CrCN i CrN w module. Powłoki te otrzymywano metodą katodowego odparowania łukowego. Przedstawiono wyniki pomiarów twardości powłok nanoszonych na płaskie noże do głowic strugarskich wykonane ze stali SW7M i noże wstawne z wkładką z węglikiem spiekanym. Przedstawiono rezultaty badań tribologicznych prowadzonych w układzie kula-płaszczyzna. Istotną częścią pracy są wyniki półprzemysłowych badań eksploatacyjnych. 2. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 2.1. Materiał na noże do obróbki drewna Na noże do obróbki drewna stosowana jest między innymi stal narzędziowa szybkotnąca SW7M o bardzo dobrej ciągliwości, udarności i odporności na ścieranie. Twardość stali w stanie ulepszonym sięga 65 HRC. Jej skład chemiczny przedstawiono w tablicy 1. TABLICA 1. Skład chemiczny stali SW7M TABLE 1. Chemical composition of HS6-5-2 steel C Mn Si P S Cr 0,82-0,92 0,4 0,5 0,03 0,03 3,5-4,5 Ni M W V Co Cu 0,4 4,5-5, ,7-2,1 0,5 0,3 74 INŻYNIERIA [POWIERZCHNI NR

3 2.2. Proces azotowania Proces azotowania przeprowadzono na stanowisku opisanym w pracy [20]. Oprócz standardowych układów regulacji składem atmosfery azotującej oraz temperaturą, stanowisko zostało wyposażone w automatyczny dysocjometr wodny służący do wyznaczania stopnia dysocjacji amoniaku i określania potencjału azotowego oraz czujnik rezultatu procesu czujnik magnetyczny [21]. Niezależnie od doboru zmian potencjału azotowego, a następnie kontroli parametrów procesu zapewniających uzyskiwanie odpowiednich wartości w trakcie trwania procesu, monitorowano i kontrolowano właściwy przebieg procesu za pomocą czujnika magnetycznego. Realizowano to poprzez porównywanie przebiegu bieżącego rejestrowanego przez czujnik z przebiegiem wzorcowym odwzorowującym tworzenie się warstwy azotowanej na stali SW7M zbudowanej wyłącznie ze strefy dyfuzyjnej. Parametry procesu były następujące: temperatura 530 C, potencjał azotowy 7, czas trwania procesu 4 h Technologia nakładania powłok CrCN/Cr Powłokę CrCN/CrN nanoszono na noże z wkładką z węglika spiekanego oraz azotowane i nieazotowane podłoża (noże) ze stali SW7M w zmodyfikowanym urządzeniu TINA 900M, wykorzystując metodę katodowego odparowania łukowego. Podłoża po kąpieli alkalicznej w płuczce ultradźwiękowej montowano na obrotowym stoliku równolegle do powierzchni odparowywanej katody o czystości 99,95 % at., w komorze roboczej w odległości 18 cm od źródeł. Podłoża podgrzewano radiacyjnie do temperatury 300 o C. Proces nanoszenia powłoki poprzedzało trawienie jonami metalu przy napięciu 600 V w czasie 10 minut i ciśnieniu argonu w komorze 0,5 Pa. Jego celem było usunięcie słabo związanych cząstek z trawionej powierzchni. Bezpośrednio na podłoże naniesiono cienką warstwę chromu o grubości około 0,1 μm. Miało to na celu poprawę przyczepność powłok do podłoża. W silnoprądowym katodowym wyładowaniu łukowym otrzymywana jest plazma o dużym stopniu jonizacji. Anodę stanowią ścianki komory próżniowej. Ukierunkowanie i zwiększenie energii kinetycznej jonów następowało poprzez polaryzację ujemnym napięciem ( 70 V) podłoża, na które nanoszona jest powłoka. Proces nanoszenia warstw CrN powłoki wielowarstwowej prowadzono przy napięciu polaryzacji podłoży wynoszącym 70 V przy prądzie łuku 80 A w atmosferze azotu pod ciśnieniem 1,8 Pa. Warstwy CrCN powłoki nanoszono w tych samych warunkach z dodatkiem acetylenu. Proces prowadzono przy stałym ciśnieniu azotu i kontrolowanym, stałym przepływie acetylenu. Czas procesu określał współczynnik szybkości nanoszenia powłoki i żądana jej grubość. Proces nanoszenia powłoki CrCN/CrN opisano w pracy [22] Diagnostyka powłok Grubość powłoki CrCN/CrN, naniesionej na noże strugarskie, określano metodą szlifu sferycznego (Kalotest) wg normy PN-EN :2004. Pomiar chropowatości powierzchni, także profil wytarcia kuli wykonywano za pomocą profilografometru Hommel Tester T8000. Powłoki badano, stosując następujące metody badawcze: mikroskopię optyczną (Nikon Eclipse MK200) do badania morfologii i grubości powłok, oceny jej uszkodzeń w teście Daimlera-Benza, badanie przyczepności powłoki do podłoża metodą rysy (urządzenie Revetest) wgłębnik diamentowy Rockwella typu C przemieszczano z szybkością 10 mm/min zmieniając liniowo siłę nacisku od 0 do 200 N z szybkością 100 N/min. Siłę krytyczną Lc 1 określano jako siłę, przy stosowaniu której pojawiają się pierwsze pęknięcia powłoki, natomiast siłę krytyczną Lc 2 jako siłę, przy której następuje całkowite oderwanie powłoki od podłoża. Siły te określano poprzez obserwację przy użyciu mikroskopu optycznego, jako średnią z co najmniej trzech pomiarów, badanie przyczepności powłoki do podłoża test Daimlera-Benza. Polega on na ocenie zniszczenia powłoki wywołanego przez stożek Rockwella wciskany z równomierną siłą (ok N = 150 kg) w układ podłoże warstwa. Miarą adhezji jest opór przeciwko propagacji zainicjowanego pęknięcia wzdłuż strefy międzyfazowej, badania tribologiczne metodą kula-tarcza próby przeprowadzono dla ruchu obrotowego przy obciążeniu 20 N, prędkość liniowa 0,2 m/s, w warunkach tarci suchego, droga 1000 m. Przeciwpróbką byłą kulka alundowa o średnicy 10 mm. o twardości około 15 GPa chropowatości Ra < 0,03 μm. Pomiary przeprowadzono w atmosferze o wilgotności około 40 % w temperaturze otoczenia. Badania prowadzono za pomocą tribotestera T01M. Wskaźnik zużycia wyznaczono jako objętość usuniętego podczas testu tarcia materiału w stosunku do iloczynu drogi tarcia i działającej siły, mikroanalizę rentgenowską EDS (Energy Dispersive Spectrometry): mikroskop skaningowy Jeol JSM5500 z wykorzystaniem przystawki firmy Oxford z systemem LINK ISIS 300 do badania składu chemicznego, twardość powłoki CrN została wyznaczona przy użyciu nanoindentera Fischerscope HM2000 ustalając głębokość wnikania wgłębnika na około 0,2 μm. Przeprowadzono także badania półprzemysłowe na frezarce dolnowrzecionowej typu DFDA-2 (produkcja - Fabryka Obrabiarek do Drewna GOMAD) z nasadzaną, walcową, trzyostrzową głowicą frezową firmy GOPOL Jarocin. Polegały one na skrawa- INŻYNIERIA POWIERZCHNI NR

4 niu drewna bukowego i płyty MDF przy następujących parametrach obróbki: prędkość skrawania 36 m/s, prędkość posuwu 10 m/min, grubość warstwy skrawanej 1 mm [23]. Badaniom poddano 4 partie noży: nóż SW7M ( mm, kąt ostrza 50 ) bez powłoki oraz z powłoką CrCN/CrN, noże wstawne z węglikiem spiekanym ( mm, kąt ostrza 50 ) bez powłoki oraz z powłoką CrCN/CrN. Drewno bukowe charakteryzowało się wilgotnością 8 %; natomiast dwustronnie laminowana trójwarstwowa płyta wiórowa miała średnią gęstość 820 kg/m 3 [24]. 3. REZULTATY 3.1. Powłoki wielowarstwowe CrCN/CrN Aktualnie w przemyśle stosowane są powłoki zarówno jedno- jak i wielowarstwowe. Powłoki te spełniają prawidłowo swoje funkcje tylko wtedy, gdy ich przyczepność do podłoża jest odpowiednia, a materiał podłoża charakteryzuje się wysoką twardością. W powłokach jednowarstwowych mechanizm niszczenia obejmuje mikropęknięcia powłoki od strony jej powierzchni oraz od strony podłoża, co znacznie przyśpiesza zużycie. Powłoki wielowarstwowe są o wiele trwalsze od powłok jednowarstwowych. Mikropęknięcia występują tylko od strony powierzchni powłoki, a granice rozdziału warstw powłoki blokują rozprzestrzenianie się mikropęknięć w głąb chroniąc powłokę przed pękaniem. Powłoki wielowarstwowe CrCN/CrN naniesione na noże wstawne z wkładką z węglika spiekanego i noże ze stali SW7M charakteryzują się jednakową grubością na całym podłożu, zwartą budową bez widocznych rozwarstwień i dobrym przyleganiem do materiału podłoża. Podstawowe właściwości powłok zestawiono w tablicy 2. TABLICA 2. Właściwości powłoki CrCN/CrN na podłożach ze stali SW7M TABLE 2. The properties of CrCN/CrN multilayer coatings on HS steel Twardość powłoki H [GPa] 25,2 ± 0,8 Moduł Younga powłoki E [GPa] 312 ± 18 Wskaźnik H/E 0,081 ± 0,007 Współczynnik tarcia 0,51 ± 0,02 Siła krytyczna Lc 1 [N] 73 ± 4 Siła krytyczna Lc 2 [N] 105 ± 4 Grubość powłoki [μm] 2,9 ± 0,2 Liczba modułów 7 - grubość modułu [nm] stosunek podziału warstw CrCN 1:1 i CrN w module Na noże wstawne z wkładką z węglika spiekanego nakładano powłokę wielowarstwową CrCN/CrN składającą się z 7 modułów oraz warstwę z tetragonalnego węgla ta-c o grubości 1 μm. Technologię, warunki nakładania powłok oraz jej właściwości opisano w pracy [25] Eksploatacja i zużywanie narzędzi z powłokami CrCN/CrN Warunki testu półprzemysłowego sprzyjają wzrostowi temperatury na ostrzu skrawającym i na powierzchni natarcia. Prowadzi to do przyspieszonego zużywania się narzędzi skutkującego m.in. wzrostem pobieranej mocy przez frezarkę, a z drugiej strony pogorszeniem jakości obrabianego materiału. W zależności od rodzaju obrabianego surowca drzewnego szybkość zużywania i jego objawy mogą być różne. Zużywanie się narzędzi obserwuje się poprzez zaokrąglanie krawędzi ostrza i ścieranie powierzchni natarcia noża. Na rysunku 1 przedstawiono widok 3D ostrza noża bez powłoki gotowego do pracy (rys. 1a) oraz ostrza noża bez powłoki (rys. 1b) i ostrza noża z powłoką wielowarstwową CrCN/CrN (rys. 1c) po struganiu suchego drewna bukowego. Droga skrawania wynosiła 6000 m. Rys. 1. Obraz 3D ostrza noża SW7M do głowicy strugarskiej bez powłoki gotowego do pracy (a) oraz ostrza noża bez powłoki (b) i ostrza noża z powłoką wielowarstwową CrCN/CrN (c) po struganiu suchego drewna bukowego na drodze 6000 m Fig. 1. 3D image of cutting edge of planer knife without the coating after sharpening (a), the cutting edge of planer knife without the coating (b) and with CrCN/CrN multilayer coating (c) after 6000 m of dry beechwood cutting Noże bez powłoki miały po ostrzeniu promień ostrza około 7 μm (rys. 2a), natomiast noże z powłoką charakteryzowały się większym promieniem ostrza około 10 μm (rys. 3a). Po skrawaniu drewna bukowego na drodze 6000 m dla noża bez powłoki określono promień zaokrąglenia ostrza ponad 3 razy większy niż dla noża przed rozpoczęciem procesu skrawania, czyli wynosił 24 μm (rys. 2b). W tych samych warunkach skrawania promień zaokrąglenia ostrza noża z powłoką był około 2 razy większy od noża niepracującego, czyli wynosił 20 μm (rys. 3b). 76 INŻYNIERIA [POWIERZCHNI NR

5 a Rys. 2. Promienie zaokrąglenia ostrza noża SW7M bez powłoki po ostrzeniu (a) i po cięciu drewna bukowego na dystansie 6000 m (b) Fig. 2. Cutting edge radius of the planer knife made of HS6-5-2 steel without the coating after sharpening (a) and after 6000 m dry beechwood cutting (b) Rys. 3. Promienie zaokrąglenia ostrza noża SW7M z powłoką CrCN/CrN po ostrzeniu (a) i po cięciu drewna bukowego na dystansie 6000 m (b) Fig. 3. Cutting edge radius of the planer knife made of HS6-5-2 steel with CrCN/CrN multilayer coating after sharpening (a) and after 6000 m dry beechwood cutting (b) Rys. 4. Profil powierzchni natarcia wykonany prostopadle do krawędzi ostrza noża ze stali SW7M bez powłoki i z powłoką CrCN/CrN po cięciu suchego drewna bukowego na drodze 6000 m Fig. 4. The profile of the rake face perpendicular to the cutting edge for HS6-5-2 tool without and with multilayer CrCN/CrN coating after 6000 m of the dry beechwood cutting Powierzchnia natarcia (rys.1b) wykazuje inną morfologię powierzchni w strefie pracy ostrza spowodowaną podwyższoną w wyniku skrawania temperaturą, wyższą od temperatury odpuszczania stali SW7M, tj. powyżej 550 C [26]. Przedstawia to obraz profilu powierzchni natarcia wykonany prostopadle do krawę- Rys. 5. Pole powierzchni zużycia S: (a) widok noża z zaznaczoną powierzchnią zużycia krawędzi, (b) dla noża SW7M bez powłoki i z powłoką wielowarstwową CrCN/CrN po skrawaniu suchego drewna bukowego Fig. 5. Wear area of cutting edge S: (a) the view of planer knife with worn volume of cutting edge, (b) for uncoated tool and the tool with CrCN/CrN multilayer coating after dry beechwood cutting dzi ostrza (rys.4). Widoczne jest zużycie powierzchni natarcia noża bez powłoki w wyniku ścierania materiału noża. Nóż z powłoką nie wykazuje takiego charakteru zużycia. Wskazuje to na dobre właściwości przeciwzużyciowe powłok. Powłoki ograniczają także przepływ strumienia ciepła do narzędzia [9], co może ograniczyć lub wyeliminować efekt odpuszczania materiału narzędzia. Wysoka temperatura powoduje odkształcenie plastyczne materiału w obszarze krawędzi ostrza, co sprzyja zaokrąglaniu krawędzi i przyspiesza zużywanie się narzędzia. Podczas ostrzenia narzędzia (przywracania mu pierwotnych właściwości skrawnych), należy usunąć materiał o zmienionych przez temperaturę właściwościach mechanicznych. W przypadku badanych noży ze stali SW7M jest to nawet 0,3 mm. Wymaga to wzrostu czasu regeneracji narzędzia, a także ograniczenia ilości takich procesów, powodując w rezultacie wzrost kosztów obróbki. W przypadku noży z powłokami nie zaobserwowano negatywnego oddziaływania temperatury i zmniejszenia twardości materiału narzędzia. Większa efektywność narzędzi z powłoką wielowarstwową CrCN/CrN przejawia się w obniżonym INŻYNIERIA POWIERZCHNI NR

6 w stosunku do noża bez powłoki polu zużycia ostrza (rys. 5). Dla tak dobranej pary narzędzie-obrabiany materiał i parametrów procesu skrawania pole powierzchni zużycia ostrza dla noża z powłoką jest około 25 % niższe. Rys. 6. Pole powierzchni zużycia ostrza S dla noża wstawnego z węglikiem spiekanym bez powłoki, z powłoką wielowarstwową CrCN/CrN oraz z powłoką wielowarstwową CrCN/CrN+ta-C po skrawaniu płyty wiórowej Fig. 6. Wear area of cutting edge S: (a) the view of planer knife with worn volume of cutting edge, diagram of S for uncoated HM tool, HM tool with CrCN/CrN multilayer coating and HM tool with CrCN/CrN+ta-C multilayer coating after chipboard cutting W przypadku skrawania płyty wiórowej, materiału stawiającego narzędziom skrawającym najwyższe wymagania, zastosowano noże wstawne z wkładkami z węglikiem spiekanym bez powłoki i z powłoką. Noże z powłoką wielowarstwową CrCN/CrN charakteryzują się polem powierzchni zużycia ostrza S niższym o około 15 % w porównaniu do noży bez powłoki pracujących w identycznych warunkach. Testowano także noże z powłoką złożoną z naprzemiennie ułożonych warstw CrCN i CrN (jak poprzednio) oraz dodatkowo z warstwy z tetraedrycznego węgla ta-c o grubości 1 μm i twardości około 45 GPa nałożoną na powłokę wielowarstwową CrCN/CrN. Twarde warstwy na bazie węgla: tetraedryczny węgiel czy DLC stosowane są w obróbce drewna ze względu na swoje dobre właściwości przeciwzużyciowe [18]. Noże z taką złożoną powłoką CrCN/CrN+ta-C wykazywały mniejsze, o około 25 %, zużycia ostrza (rys. 6) Proces duplex powłoka CrN (PVD) na azotowanym podłożu ze stali SW7M Poprawę trwałości narzędzi uzyskać można także stosując złożone metody inżynierii powierzchni, np. zastosowanie obróbki cieplnej lub cieplno-chemicznej, a następnie nałożenie twardej powłoki PVD. Faga i inni [18] badali właściwości eksploatacyjne azotowanych i nieazotowanych narzędzi ze stali SW18 z różnymi rodzajami powłok przeciwzużyciowych zawierających chrom. Stwierdzili, że azotowanie wysokotemperaturowe (grubość warstwy 200 μm) narzędzi powoduje 2-krotne zmniejszenie głębokości śladu wytarcia w teście kula-tarcza, jako wielkości zużycia, natomiast azotowanie niskotemperaturowe (grubość warstwy 40 μm) nie powoduje znaczących zmian głębokości śladu wytarcia. Modyfikacja powierzchni natarcia tych narzędzi powłokami jednowarstwowymi CrN i wielowarstwowymi Cr 2 N/CrN wskazuje na znaczące zmniejszenie głębokości śladu wytarcia. O ile głębokość tego śladu na narzędziach poddanych azotowaniu z powłoką jedno- i wielowarstwową nie różni się specjalnie od tych nie poddanych azotowaniu, to kompozyt narzędzie azotowane wysokotemperaturowo powłoka wielowarstwowa wykazuje około 3-krotnie mniejszą głębokość śladu wytarcia, a kompozyt narzędzie azotowane niskotemperaturowo powłoka wielowarstwowa wykazuje nawet około 6-krotnie mniejszą głębokość śladu wytarcia. Interesująco przedstawia się także wskaźnik efektywności skrawania wyznaczany jako stosunek drogi skrawania i zużycia noża. Test przeprowadzono skrawając drewno świerkowe. Wynika z niego, że rodzaj obróbki podłoży i jego parametry mają istotne znaczenie na trwałość narzędzia. Najwyższy wskaźnik efektywności wykazywały narzędzia poddane azotowaniu niskotemperaturowemu, a nałożenie powłoki jedno- lub wielowarstwowej poprawiało ten wskaźnik. Noże azotowane wysokotemperaturowo wykazywały kilkakrotnie mniejszy wskaźnik efektywności, a nałożenie powłok jedynie nieznacznie go zwiększało [18]. Wynika z tego, że kruchość materiału narzędzia przyczynia się do przedwczesnego uszkodzenia krawędzi ostrza. Narzędzia azotowane w niskiej temperaturze mają korzystniejszy profil rozkładu twardości. Powstająca cienka warstwa azotowana nie powoduje utraty wiązkości materiału, a stanowi łagodne przejście od bardzo twardej powłoki PVD na powierzchni do miękkiego rdzenia. Jedną z istotniejszych wielkości decydujących o trwałości narzędzi jest przyczepność powłoki do podłoża. Dobra przyczepność wydłuża czas korzystnego oddziaływania powłoki podczas obróbki mechanicznej. Badano powłoki CrN nałożone na nieazotowane i azotowane podłoża ze stali SW7M. Stwierdzono, że siła krytyczna układu powłoka CrN nieazotowane podłoże wynosi około 80 N, natomiast siła krytyczna układu powłoka CrN azotowane podłoże wynosi około 120 N. Zwiększenie twardości podłoża poprzez jego obróbkę cieplno-chemiczną korzystnie wpływa na wzrost siły krytycznej w stosunku do podłoża nie poddanego takiej obróbce. Ten znaczący wzrost siły krytycznej może mieć istotny wpływ na poprawę trwałości narzędzi z azotowanej stali z powłoką przeciwzużyciową. W teście Daimlera-Benza miarą przyczepności jest opór przeciwko rozprzestrzenianiu się zainicjowanego pęknięcia wzdłuż strefy międzyfazowej. Opór ten odpowiada siłom wiązania w tym obszarze. Jeżeli pęknięcie i jego propagacja nie następuje w obszarze międzyfazowym, lecz w podłożu lub powłoce, to zna- 78 INŻYNIERIA [POWIERZCHNI NR

7 Wskaźniki zużycia dla podłoża nieazotowanego i azotowanego oraz dla takich samych podłoży z powłoką CrN oszacowano po teście kula-tarcza i zestawiono w tablicy 3. Wynika z nich, że ze wzrostem twardości podłoża maleje wskaźnik zużycia. Wskaźnik zużycia dla powłoki CrN na azotowanym podłożu ze stali SW7M jest około 50 % niższy, niż w przypadku powłoki na nieazotowanym podłożu. Znacznie niższe wskaźniki zużycia powłoki CrN w porównaniu do wskaźników zużycia stali wynikają z wyższej twardości azotku chromu oraz faktu, że podczas testu powłoka nie wykazywała cech uszkodzenia. Powyższe wyniki, wysoka przyczepność do azotowanego podłoża powłok CrN oraz niski wskaźnik zużycia, stanowią obiecującą perspektywę zastosowania procesu duplex do modyfikacji narzędzi do obróbki drewna. 4. WNIOSKI Rys. 7. Obraz odcisku Rockwella dla powłoki CrN na podłożu ze stali SW7M nieazotowanej (a) oraz azotowanej (b) Fig. 7. The Rockwell indentation in CrN coating deposited on: HS substrate (a) and nitrided HS6-5-2 substrate TABLICA 3. Wskaźniki zużycia testowanych kompozytów TABLE 3. Wear rate of tested composites Badany układ Wskaźnik zużycia [mm 3 N -1 m -1 ] SW7M 7,0x10-6 SW7M azotowana 4,0 x10-6 SW7M + CrN 1,7 x10-7 SW7M azotowana + CrN 1,3 x10-7 czy, że przyczepność badanych powierzchni jest przynajmniej tak duża, jak odporność słabszego składnika układu podłoże-powłoka. Na obrazie mikroskopowym odcisku (rys. 7) widoczna jest różna odpowiedź powłoki na obciążenie. Na zdjęciu powłoki CrN na nieazotowanym podłożu (rys. 7a) widoczne są liczne pęknięcia zarówno na granicy powłoka-odcisk jak i wewnątrz odcisku skutkujące jej dużą delaminacją. Wyraźna strefa wykruszenia powłoki występuje na niemal całym obwodzie odcisku. Zupełnie inaczej zachowuje się powłoka CrN na azotowanym podłożu (rys.7b). Widoczne są jedynie niewielkie pęknięcia promieniowe oraz całkowity brak odprysków powłoki, co wskazuje na bardzo dobrą przyczepnością do podłoża [20]. Przeprowadzone testy półprzemysłowe skrawania suchego drewna bukowego oraz płyty wiórowej wykazały, że zastosowanie powłok wielowarstwowych CrCN/CrN podwyższa trwałość narzędzi. Prace zmierzające do dalszej poprawy trwałości narzędzi koncentrowały się na modyfikacji powierzchniowej materiału narzędzia, czyli jego obróbce cieplno-chemicznej. Dobrano warunki azotowania umożliwiające uzyskanie warstwy azotowanej bez słabo związanych azotków pogarszających przyczepność powłok PVD do podłoża. Lepsze właściwości tribologiczne takich kompozytów stanowią obiecującą perspektywę ich zastosowań. Podziękowania Panom: mgr. inż. Zbigniewowi Galoczowi oraz mgr. inż. Dawidowi Jakrzewskiemu za wykonanie badań mikroskopowych i profilometrycznych autorzy składają podziękowania. Badania finansowane ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka Działanie 1.3. LITERATURA [1] Ürgen M., Cakır A.: The effect of heating on corrosion behavior of TiN- and CrN-coated steels, Surf. Coat. Technol. 96, 1997, s [2] Fox-Robinovich G.S., Kovalev A.I., Afanasyev, S.N.: Characteristic features of wear in tools made of high-speed steels with surface engineered coatings I. Wear characteristics of surface engineered highspeed steel cutting tools, Wear 201, 1996, s [3] Hurkmans T., Lewis D.B., Paritong H., Brooks J.S., Munz W.D.: Influence of ion bombardment on struc- INŻYNIERIA POWIERZCHNI NR

8 ture and properties ofunbalanced magnetron grown CrN x coatings, Surf. Coat. Technol. 114, 1999, s [4] Mo J.L., Zhu M.H.: Tribological characterization of chromium nitride coating deposited by filtered cathodic vacuum arc, Appl. Surf. Science 25, 2009, s [5] van Essen P., Hoy R., Kamminga J.D., Ehiasarian A.P., Janssen G.C.A.M.: Scratch resistance and wear of CrN x coatings, Surf. Coat. Technol. 200, 2006, s [6] Navinsek B., Panjan P., Milosev I.: Industrial applications of CrN (PVD) coatings, deposited at high and low temperatures, Surf. Coat. Technol. 97, 1997, s [7] Czechowski K., Pofelska-Filip I., Szlosek P., Fedaczyński A., Kasina J., Królicka B.: Wybrane właściwości i wpływ na trwałość ostrzy warstw twardych naniesionych metodą PVD na płytki skrawające z materiałów ceramicznych, Inżynieria Materiałowa 5, 2005, s [8] Rech J., Kusiak A, Battaglia J.L.: Tribological and thermal functions of cutting tool coatings, Surf. Coat. Technol. 186, 2004, s [9] Kusiak A., Battaglia J.L., March R.: Influence of CrN coating in wood machining from heat flux estimation in the tool, Int. J. Thermal Sci., 44, s [10] Zyśk J.: Rozwój azotowania gazowego stopów żelaza, Wydawnictwo Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa [11] Burakowski T., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali, WNT, Warszawa [12] Kula P.: Inżynieria warstwy wierzchniej, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź [13] Małdziński L.: Termodynamiczne, kinetyczne i technologiczne aspekty wytwarzania warstwy azotowanej na żelazie i stalach w procesach azotowania gazowego, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań [14] Michalski J., Wach P., Dobrodziej J., Ratajski J., Talikowski J.: Projektowanie procesów regulowanego azotowania gazowego narzędzi i części maszyn ogólne wytyczne, Inżynieria Powierzchni, 3, 2009, s [15] Walkowicz J., Smolik J., Bertrand C., Ioncea A.: Obróbka cieplno-chemiczna, a trwałość eksploatacyjna matryc do kucia na gorąco, Inżynieria Materiałowa, 5, 2005, s [16] Taktak S., Ulker S., Gunes I.: High temperature wear and friction properties of duplex surface treated bearing steels, Surf. Coat. Technol, 202, 2008, s [17] Chekour L., Nouveau C., Chala A., Djouadi M.A.: Duplex treatment of 32CrMoV13 steel by ionic nitriding and triode s puttering: application to wood machining, Wear, 255, 2003, s [18] Faga M.G., Settineri L.: Innovative anti-wear coatings on cutting tools for wood machining, Surf. Coat. Technol., 201, 2006, s [19] Betiuk M., Kowalski S.: Azotowanie jarzeniowe i technologie PVD w zastosowaniu do modyfikacji powierzchni narzędzi, Inżynieria Powierzchni, 4, 2010, s [20] Ratajski J., Olik R., Warcholiński B., Gilewicz A., Michalski J., Kwiatkowski J., Szparaga Ł.: Przeciwzużyciowa, dwustopniowa obróbka powierzchniowa narzędzi stosowanych w przemyśle drzewnym, Inżynieria Materiałowa, 4, 2010, s [21] Olik R.: Wykorzystanie zmian właściwości magnetycznych warstwy wierzchniej w procesie azotowania gazowego do określenia przebiegu zmian struktury azotowanych stali stopowych, Rozprawa doktorska, Instytut Mechaniki Precyzyjnej [22] Warcholinski B., Gilewicz A., Kuklinski Z., Myslinski P.: Hard CrCN/CrN multilayer coatings for tribological applications, Surf. Coat. Technol., 204, 2010, s [23] Bałaban P.: Badania zużycia ostrzy ze stali szybkotnącej z naniesionymi warstwami przeciwzużyciowymi Praca magisterska. Wydział Technologii Drewna, Uniwersytet Przyrodniczy, Poznań [24] Tomków G.: Badania trwałości ostrzy skrawających pokrytych twardymi powłokami wielowarstwowymi przy frezowaniu płyt wiórowych. Praca magisterska, Wydział Technologii Drewna, Uniwersytet Przyrodniczy Poznań [25] Gilewicz A., Warcholiński B., Kukliński Z., Myśliński P.: Twarde powłoki ta-c otrzymane metodą impulsowego katodowego odparowania łukowego, Inżynieria Materiałowa, 1, 2010, s [26] Grobelny T.: Stan cieplno-mechaniczny ostrza narzędzia w procesie frezowania drewna i tworzyw drewnopochodnych. Praca doktorska, SGGW. W-wa INŻYNIERIA [POWIERZCHNI NR