Politechnika Koszalińska

Transkrypt

1 Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Powłoki na bazie węgla w zastosowaniu do obróbki drewna M. Pancielejko 1, A. Czyżniewski 1, A. Gilewicz 1, V. Zavaleyev 1, Z. Galocz 1, Pander 1, W. Szymański 2 1 Politechnika Koszalińska, 2 Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu Projekt nr POIG /08. Program Operacyjny: Innowacyjna Gospodarka lata , Hybrydowe technologie modyfikacji powierzchni narzędzi do obróbki drewna. Dotacje na innowacje

2 Właściwości wytrzymałościowe oraz kierunki rozwoju materiałów narzędziowych [Dobr-1990] Wytrzymałość i odporność na pękanie materiałów narzędziowych [Mills -1996]

3 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)

4 Rodzaje powłok na bazie węgla [VDI-2006] 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) [Robe-2002] a-c:h:mec nanokompozytowe modyfikowane węglikami metali (Me Ti, W, Mo, Nb)

5 Właściwości powłok DLC (ta-c) decydujące o możliwości ich wykorzystania pokrywania narzędzi stosowanych do obróbki drewna i materiałów drewnopochodnych: Wysoka twardość (często > 50 GPa) Wysoka odporność na zużycie przez tarcie (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) Stabilność termiczna (często > 600 C) Niska temperatura wytwarzania metodami PVD (często < 200 C)

6 Powłoki na bazie węgla stosowane na narzędziach [Antt-1995, Hako-1999, Endl-1999, Kami-2005, Neuv-2007, Shei-2003, Till-2009].

7 Wytwarzanie powłok na bazie węgla DLC - zmodyfikowane katodowe odparowanie łukowe (Puls-Arc) W-DLC reaktywne rozpylanie magnetronowe (URMS)

8 Możliwości badawcze powłok oraz pokrytych narzędzi Skład chemiczny Grubość powłok Naprężenia w powłoce Twardość Adhezja powłok Badania tribologiczne Badania metalograficzne Chropowatość Pomiar zużycia narzędzi

9 Współczynnik tarcia Wskaźnik zużyc ia [mm / Nm] 3 Budowa oraz właściwości powłok DLC wytworzonych na narzędziach DLC ~ 1,8 µm (podwarstwa Cr ~ 0,3 µm) Test Rockwella (HF1) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 f kv k b Al 2 O 3 buk sosna Współczynnik tarcia oraz wskaźniki zużycia

10 Adhezja powłok DLC 0 50N na nożu HS6-5-2 L c2 =30N 36N 0 50N Na węgliku spiekanym WC L c3 = 29N

11 Budowa oraz właściwości powłok W-DLC wytworzonych na narzędziach Twardość GPa W-DLC W(C) Cr Moduł E ~ 200 GPa f S ~ 0,25

12 Badania eksploatacyjne (2011r. - Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu) Warunki badań: Płyta MDF jednostronnie laminowana o grubości 16 mm Frezarka dolnowrzecionowa FELDER typ F900 Power Drive Noże HS6-5-2 ( mm) Parametry obróbki: Prędkość obrotowa narzędzia n = 6000 min-1 Wysokość warstwy skrawanej h = 1 mm Średnica skrawania D 120 mm Prędkość posuwu u = 6,3 m min -1 Rzeczywista długość drogi ostrza w materiale skrawanym 10m (na każdy 1m skrawanego materiału)

13 50 Badania eksploatacyjne 0-50 HSS r., Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, W. Szymański, nóż nr3 bez powłoki 400mb MDF -200 Profile zużycia i pole zużycia pole ostrzy zuzycia S=1,72mm noży HSS 2 po procesie strugania MDF ,0k 15,0k 20,0k 25,0k 30,0k 35,0k 40,0k DLC Nóż 3 WDLC1 400mb MDF pole zużycia 1,48mm 2 10,0k 15,0k 20,0k 25,0k 30,0k 35,0k 40,0k Profile zużycia i pole zuż po procesie struga 3 DLC2 400mb MDF pole zużycia 1,64mm 2 10,0k 15,0k 20,0k 25,0k 30,0k 35,0k 40,0k W-DLC Średnie zużycie noży (S) w funkcji drogi skrawnia nóż nr3 bez powłoki 400mb MDF pole zuzycia S=1,72mm ,0k 15,0k 20,0k 25,0k 30,0k 35,0k 40,0k Profile zużycia oraz pole zużycia noży po drodze 400mb. skrawania 10,0k 15,0k 20,0k 25,0k 30,0k 35,0k 40,0k Nóż 3 WDLC1 400mb MDF pole zużycia 1,48mm ,0k 15,0k

14 Charakterystyka zużycia noży po 400 mb. skrawania Nóż HS6-5-2 bez powłoki Strefa skrawania Strefa po ostrzeniu Nóż z powłoką DLC Strefa skrawania Strefa po ostrzeniu Nóż z powłoką W-DLC Strefa skrawania Strefa po ostrzeniu

15 Nóż HS6-5-2 bez powłoki

16 Nóż z powłoką DLC

17 Nóż z powłoką W-DLC

18 Powłoki wielowarstwowe DLC/Cr/CrN/Cr (podłoża HM i HSS) HSS Test rysy HM 30 N 40N 22 N 30N Test Rockwella (HF1-HF2)

19 Testy produkcyjne narzędzi z powłoką wielowarstwową typu Cr/CrN/Cr/DLC (Firma Łąccy Kołczygłowy Sp. z o.o.) Narzędzia kształtowe z węglików spiekanych (WC - FABA) Powłoka na powierzchni natarcia Materiał obrabiany parkiet (sklejka)

20 Podsumowanie 1. W zależności od zastosowanych parametrów wytwarzania możliwe jest uzyskanie powłok DLC w szerokim zakresie twardości GPa. 2. Analiza wyników badań wskazała na bardzo istotny wpływ grubości podwarstwy Cr i powłok węglowych (DLC i W-DLC) i na ich adhezję do zastosowanych podłoży. 3. Podczas obróbki materiału drewnopodobnego (MDF) zastosowanie powłok węglowych obniża zużycie noży ze stali szybkotnącej. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Innowacyjna Gospodarka,

21 Literatura: [Antt-1995] A. Anttila, J. Salo, R. Lappalainen, Mater. Lett. 24 (1995) [Dobr-1990] L.A. Dobrzański, E. Hajduczek, J. Marciniak, R. Nowosielski, Metaloznawstwo i obróbka cieplna materiałów narzędziowych, WNT, Warszawa (1990). [Endl-1999] I. Endler, K. Bartsch, A. Leonhardt, H.-J. Scheibe, H. Ziegele, I. Fuchs, Ch. Raatz, Diamond and Related Materials 8 (1999) [Kami-2005] J. Kamiński, J. Rudnicki, C. Nouveau, A. Savan, P. Beer, Surface and Coatings Technology 200 (2005) [Hako-1999] M. Hakovirta, Diamond and Related Materials 8 (1999) [Neuv-2007] S. Neuville, A. Matthews, Thin Solid Films 515 (2007) [Robe-2002] J. Robertson, Materials Science and Engineering R37 (2002) [Shei-2003] J.Y. Sheikh-Ahmad J.S. Stewart, H. Feld, Wear 255 (2003) [Till-2009] W. Tillmann, E. Vogli, F. Hoffmann, Surface and Coatings Technology 204 (2009) [VDI-2006] The Association of German Engineers, Report VDI 2840 (2006). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Innowacyjna Gospodarka,

22 Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Dziękuję za uwagę Projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Innowacyjna Gospodarka,