Tribotechnické listy

 

 

Rychlořezná ocel s duplexní povrchovou úpravou

Odolnost proti adhezivnímu opotřebení


Keramické povlaky vytvářené na povrchu nástrojů z rychlořezných ocelí metodami PVD (na př. TiN) značně zlepšují jejich tribologické vlastnosti.  Tyto tenké povlaky se však mohou rychle porušovat a vyvolávat zvýšenou intenzitu opotřebení, pokud vlivem mechanického a tepelného působení v oblasti kontaktu dojde k plastické deformaci vrstev pod povlakem. Náhlé porušení povlaků úzce souvisí s mechanizmem kumulace poškození v podkladovém materiálu, které je nejintenzivnější v oblasti maxima smykových napětí. Po vyčerpání deformační schopnosti materiálu vznikají defekty a postupně se šíří, až dojde k praskání a oddělování povlaku.

 

Při vysokých kluzných rychlostech dochází vlivem zvýšené teploty v oblasti kontaktu k snížení pevnostních charakteristik rychlořezné oceli, což se projeví plastickou deformací povrchových vrstev. V povlaku se vytváří a šíří trhliny, vytrhávají se části povlaku. Je to způsobeno ztrátou únosnosti podkladového materiálu při vyšších teplotách.Logickým řešením je zlepšení pevnostních charakteristik povrchových vrstev pomocí tepelného nebo chemicko-tepelného zpracování. Duplexní povrchová úprava představuje postupnou aplikaci dvou (nebo více) povrchových technologií na vytvoření povrchového kompozitu s kombinovanými vlastnostmi. Podle charakteru vzájemného působení 2 individuálních procesů se duplexní pochody mohou rozdělit do 2 hlavních skupin:

I.  Individuální procesy se vzájemně doplňují a kombinovaný efekt je výsledkem obou procesů

II.  Jeden z procesů doplňuje a zesiluje druhý proces, takže slouží jako předzpracování či následné zpracování a výsledné vlastnosti mají vztah hlavně k jednomu procesu.

 

PVD povlak na nitridované oceli je typický příklad prvé skupiny, zatím co povrchové přetavení termického nástřiku elektronovým paprskem je typický příklad druhé skupiny.

 

 

Duplexní systém keramický povlak - nitridovaná  ocel.

Plazmovou nitridací se vytváří relativně tlustá vrstva (500 m) s tvrdostí (900 - 1 000 HV) a současně na povrchu tenká vrstva nitridů Fe. Tloušťka vrstvy nitridů závisí na aktivitě dusíku v plazmě, na teplotě procesu a na čase. Druh a tloušťka nitridů Fe může mít výrazný vliv na kvalitu vyloučeného Ti a na vazbě k nitridovanému podkladu. Při nevhodně vedeném povlakovacím procesu se pod povlakem TiN tvoří měkká „černá" vrstva rozkladem vrstvy nitridů. To se projeví výrazným poklesem únosnosti kompozitu, protože se sníží pevnost vazby mezi povlakem TiN a nitridovaným podkladem. Problém může být eliminován odbroušením vrstvy nitridů před povlakováním nebo zabráněním tvorbě nitridů při nitridaci. Snížením teploty procesu PVD pod 450 °C se zabrání rozkladu nitridů.Pro experimenty byla vybrána rychlořezná ocel MASTER CUT1 (0,9 C; 4 Cr; 6 W; 5 Mo; 1,75 V). Polotovary oceli pro přípravu vzorků byly vyrobeny z prášků izostatickým lisováním za tepla. Pro plazmovou nitridaci byly zvoleny 3 režimy kontinuálního procesu nitridace  a 2 režimy mikropulzní plazmové nitridace. Režimy nitridace byly zvoleny na podkladě předběžných zkoušek vlivu parametrů plazmové nitridace (složení nitridační atmosféry, teplota, doba nitridace) na mikrostrukturní charakteristiky nitridované vrstvy. Při rentgenostrukturní fázové analyze na difraktometru Seifert v monochromatizovaném záření Co bylo zjištěno, že dominantní fází v nitridované vrstvě je dusíkový martenzit, dále byl nalezen karbid Fe3(W,Mo)3C a karbid VC. Hexagonální nitrid Fe3N je ve velmi malém množství. Na povrchu nitridované vrstvy nebyla zjištěna metalografickými analyzami vrstva nitridů. Povlakování PVD TiN se uskutečnilo na povlakovacím zařízení Hauser a část duplexních pochodů (plasmová nitridace + PACVD) na povlakovacím zařízení Rübig GmbH.Tribologické charakteristiky rychlořezné oceli, plazmově nitridované rychlořezné oceli, rychlořezné oceli s povlakem PVD TiN a plazmově nitridované rychlořezné oceli s povlakem PACVD TiN a TiC byly experimentálně zjišťovány na tribometru HEF (lineární kontakt) při zatížení 50N, kluzné rychlosti 0,915 m/s a kluzné dráze 2 500 - 10 000 m. Příznivý vliv povlaku TiN na pokles poměrného objemového otěru povlakovaných vzorků se projevil poklesem hodnot poměrného objemového otěru. Duplexní povrchová úpravy (plasmová nitridace + PVD TiN) dává nižší hodnoty poměrného objemového otěru než povlak PVD TiN  nanesený přímo na PM RO, což je pravděpodobně způsobeno příznivým účinkem zpevněných podpovrchových vrstev podkladu. Duplexní povlaky vytvořené modifikovanou jednokomorovou technologií (mikropulzní plasmová nitridace + PACVD TiN) měly horší výsledky než pochody vytváření duplexních vrstev postupně ve 2 komorách (viz obr.). Duplexně zpracované vzorky z PM rychlořezné oceli MASTER CUT 1 (mikropulzní plasmová nitridace + PACVD TiC) měly větší poměrný objemový otěr W0 než PVD TiN na nitridované PM RO.

Rostoucí tloušťka nitridované podpovrchové vrstvy nemá pozitivní vliv na poměrný objemový otěr W0 povlakovaných vzorků.Zkoušky na tribometru HEF potvrdily zvýšení odolnosti proti opotřebení povlakované rychlořezné oceli v porovnání s nepovlakovanou rychlořeznou ocelí, což je v souladu s údaji o příznivém účinku tvrdých keramických povlaků na odolnost proti adhezivnímu opotřebení. Také duplexní povlaky mají lepší odolnost proti opotřebení než povlak PVD TiN, zejména v případech použití mikropulzní iontové nitridace pro úpravu povrchových vrstev před povlakováním. Poněkud překvapivé jsou experimentální výsledky s duplexními úpravami, které kombinují mikropulzní iontovou nitridaci s PACVD TiN a TiC. Hodnoty hmotnostního otěru jsou podstatně vyšší, což může souviset jak s nedostatečným čištěním povrchu před plazmově aktivovaným procesem CVD (kontaminace kyslíkem), tak s vlastním povlakovacím režimem.Výsledky zkoušek opotřebení na tribometru HEF rychlořezné oceli bez povrchové úpravy, s povlakem TiN a duplexně zpracované (nitridace + PVD TiN resp. PACVD TiN a TiC ).

 

 

Prof. Ing. Jan Suchánek, CSc. - Praha

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
6 + 3 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd